就在李宏向绥西、绥中大举出击的时候，罗广文在朔县和日军第 35 师团爆发了一场惨烈至极的空前血战。
日军第 35 师团自 6 月 2 日从河北集结出发后，立刻乘坐火车，沿平汉路北上，随后经平绥路到大同换车，再走同蒲路北段于 6 月 9 日 抵达朔县外围。
此时，朔县已经被罗广文拿下，但由于城防工事损毁严重，于是罗广文将主战场摆在了朔县以东的神头镇。
6 月 10 日拂晓，日军第 35 师团正式向预三师正面阵地发起猛攻，拉开了朔县之战的序幕。
预三师奋力抵抗，寸土不让，接连挫败日军多次进攻。
面对日军的强力进攻，罗广文并未一味的依托阵地被动抵抗，而是采取了攻守结合的战术。罗广文一面严令正面防守的部队死守阵地，一面组织兵力迂回至日军侧翼展开反击。
6 月 10 日夜，预三师趁着日军白天猛攻阵地一天，人困马乏的时候，大举出击，从正面、南北两翼三面反攻，击退日军 10 里，摧毁日军火炮 6 门。
次日上午，恼羞成怒的日军再次卷土重来，集中火力猛攻正面的陈西河底阵地。
预三师七团死战不退，双方血战三日，均死伤惨重。
6 月 14 日，日军以毒气弹开道，再次扑向陈西河底阵地。预三师七团猝不及防下，陈西河底阵地失守，上百名战士中毒身亡。
日军乘胜追击，继续向西进攻，然而却遭到了七团的反冲击，攻势为之一滞。
当天下午，预三师八团从北侧出击，七团在炮营火力支援下正面反攻，血战两个小时，再次夺回陈西河底阵地。
次日凌晨，为了报复日军的毒气弹，罗广文命令各团组织敢死队，再次对日军展开全面反击。在敢死队的冲击下，日军死伤惨重，阵地接连被突破，双方绞杀在一起。东西长达 5 公里的战线上，枪炮声震天动地，连绵不绝。
在激战中，日军的辎重联队遭到预三师炮营的猛烈炮击，辎重损失近半，其中随军携带的毒气弹半数以上被摧毁，毒死了不少日军。
战至上午十点，随着日军逐渐稳住阵脚，罗广文见占不到便宜，便主动撤退，下令部队退回陈西河底阵地。
此后，双方再次恢复胶着状态。
6 月 15 日，日军骑兵第一旅团在包头以东中伏被围，危在旦夕。驻蒙军司令部急电第 35 师团，立刻脱离战场，向大同撤退集结，乘坐火车前往包头增援。
于是，在 6 月 16 日清晨，第 35 师团以飞机、大炮为掩护，发出了自战斗打响以来最强一击。
面对日军步坦协同、陆空一体的立体化进攻，预三师尽管抵抗十分英勇，但依旧不敌，损失惨重。战至下午三点，预三师正面阵地全线失守，被迫退守朔县县城。
16 日夜，第 35 师团借着黑夜掩护悄悄撤离战场。
17 日，正当罗广文打算依托城防，和第 35 师团决一死战时，却发现对手早已不见踪影。于是，罗广文立刻派出侦察兵向东侦察，这才得知日军已经连夜撤离。
经过一周的血战，预三师虽然成功守住了朔县，但付出的代价不可谓不惨重。经过统计，全师共计阵亡 1971 人，重伤 705 人，轻伤无法战斗的 2392 人。算上之前的伤亡，全师减员已经达到了 5500 人左右，元气大伤。
尽管预三师伤亡如此惨重，但是罗广文却并不打算就此撤兵，反而向卫戍司令部的罗大山请战，趁着晋北空虚的大好时机，收复失地。
罗大山经过一番深思熟虑后，同意了罗广文的请求。于是，罗广文立刻整顿部队，将损失惨重的七团留下坚守朔县，主力兵分两路，八团攻打平鲁、九团进攻右玉。
驻守平鲁的日军仅有一个守备大队，兵力 800 人左右。除此之外，城内还有一个伪军步兵团，兵力 1000 人。
八团凭借着强大的火力，很快便占领了平鲁县城外围阵地。日伪军死伤惨重，被迫缩回城内固守。但是由于在撤退时，日军逼迫伪军殿后，致使伪军军心浮动，对日军心生不满。
18 日夜，八团以声东击西之计佯攻南门，实则悄悄迂回至北门偷袭，成功夺下北门。
见北门失守，平鲁伪军立刻反正，并与日军爆发火拼。
双方激战一夜，日军损失大半，仅剩不到百余人狼狈逃往大同。至此，平鲁光复。
19 日凌晨三点，九团经过近 40 小时的长途奔袭，悄然抵达右玉西门。
凌晨四点，九团派出敢死队，趁着日伪军熟睡，悄无声息地摸到城门下，利用炸药包将城门成功炸开。
随后，九团立刻发起猛攻，一举攻入右玉城内。
惊醒的日伪军立刻组织兵力从城内反击，结果与九团迎面相撞，双方立时爆发血战。
街道巷战之中，九团凭借着铁拳反坦克火箭筒和枪榴弹开路，打得日伪军节节败退，遗尸累累。日军的机枪火力点基本上开火的瞬间就被火箭筒锁定，随后在火箭弹的爆炸中灰飞烟灭。
激战至中午时分，日伪军损失大半，被彻底赶出县城，狼狈向东逃窜，右玉光复。
与此同时，在绥中，李继贤来到预二师，跟随预二师再次向绥中反攻。
6 月 18 日夜，预二师成功收复归绥，歼灭守城日伪军大部。
收复归绥之后，预二师留下一个营防守归绥，主力大举东进，在旗下营一带设立防御阵地，迎战从大同赶来的第 35 师团。
第 35 师团在大同补充物资后，立刻乘火车北上，结果沿途铁路遭到中国空军轰炸而中断，在集宁以西地区被迫下车步行。
19 日，日军先头部队抵达旗下营。
李继贤、刘小伟主动出击，成功打了日军一个伏击，歼敌 300 人。
20 日，第 35 师团主力抵达，随即便向预二师发起猛攻。双方激战一天，不分胜负。
21 日凌晨，由于包头被中国军队收复，驻蒙军司令部下令第 35 师团停止西进，向集宁转进。
6 月 24 日，李宏和马总司令下令各自部队全面扫荡绥西、绥中各地，摧毁日伪军据点，成功收复各县。
至此，这场大战终于落下了帷幕。