1939年12月20日，国民党第八战区副长官傅作义奉命发动第一个"冬季攻势"中，以所部新31师孙兰峰部为主力，曾攻进包头市内部分日军据点，因后续部队未能及时赶到，加敌人的增援反扑，21日夜攻击部队撤退至中滩附近，部队伤亡很重，"冬季攻势"以失败告终。日军以五原县城为中心，构筑工事，准备长期据守。

不过，到了1940年二月下旬，日军指挥官，第26师团师团长黑田重德认为傅作义不堪一击，便率主力逐次撤离绥西，仅留日军约两个联队，六个伪蒙师，以及汉奸王英的绥西自治联军、宪兵、警备队特务机关等，总兵力约一万五六千人据守后套，司令部及日军坐守五原城。

1940年3月19日反攻五原的炮声打响了。新三十一师师长孙兰峰为攻城总指挥，与袁庆荣的新三十二师同时奇袭五原新旧两城。傅作义将军在日军十二架飞机的狂轰滥炸下，亲临前线指挥。

新三十一师副师长王雷震、团长安春山、五临警备旅团长曹子谦，甘冒弹雨，身先士卒；全体官兵，前仆后继。在我炮火摧毁了敌人的墙堡工事后，终于攻占了敌人的最后据点，全歼守敌。特务机关长桑原中佐当场被击毙，水川伊夫中将及伪绥西联军中将司令王英，在混乱中乘隙逃窜，被游击部队击毙。敌司令部被彻底摧毁，敌军全面崩溃，日伪军各自奔窜。3月22日，五原新城收复。

袁庆荣率新三十二师在3月20日深夜进攻五原旧城，遇到顽强抵抗，双方伤亡均重，袁师长负伤，贾晏如团的营长赵寿江及连长张步青阵亡，营长杨廷璧胳臂被打断裹伤而前，赵寿江营仅余官兵七名，犹冒敌炮火，奋战到底，战况极为惨烈，后在一0一师三0一团驰援下，于3月21日下午，五原旧城收复。在五原攻城的同时，一0一师师长董其武指挥的乌加河打援部队，迎着敌伪陆空军的联合攻击和猛烈轰炸，以牺牲1100余官兵的代价，消灭了乌加河守桥之敌，破坏焚烧了敌人赖以通过汽车、坦克的三座大木桥，阻滞日伪援军数百辆汽车于乌加河北岸。

五原战役共击毙日本鬼子水川伊夫中将、步兵联队长大桥大佐、特务机关长桑原荒一郎中佐及其特务人员、伪蒙军顾问中岛少佐、警务指导官内久保作、特务官员池田浜崎以及尉官以上的警官、到五原勘矿的技术官员等300余人，日兵1100余人，毙伤伪蒙军3000余人。生俘日军指挥官观行宽夫、警务指导官浅沼庆太郎、西田信一等50余人，俘虏伪蒙军，包括邬青云部、赵城璧团投诚伪军共1800余人。缴获各种火炮30余门，汽车50余辆，轻重机枪50余挺，步枪3000余枝、毒气筒1000余个，电台2部，橡皮艇及其他军用物资，击坏、焚毁敌之武器装备等不可胜数。

特别是日本皇族水川伊夫中将被击毙（注：有研究说水川伊夫不是中将，也不是日本皇族），这是继八路军于1939年11月在涞源击毙所谓“名将之花”的日酋阿部规秀中将后四个月中被击毙的第二个日军中将，日本朝野为之哗然，敌华北驻屯军与关东军内部也发生了很大的矛盾。也正由于五原战役给日寇以毁灭性打击，因此到1945年日本投降为止，5年多的时间里，日军不敢再向河套地区越雷池一步。