與標頭戰役時一樣，五天前綏軍各部就利用夜間秘密向五原運動，至3月19日到達了預定地點。20日下午，突擊隊率先出發，黃昏時，部隊進至距五原新城七、八裡的一座村莊，并從駐紮村莊的僞守備隊裡活捉了一名僞軍，進而得到了敵人的密碼。
在發起五原戰役之前，傅作義從老鄉口中得知，占據五原的日軍每人都牽着兩三匹馬，馬上馱的盡是搶奪來的東西。傅作義由此相信綏西警備軍的戰鬥力并不強，他給突擊隊成員打氣：“這樣的軍隊（指綏西警備軍）能打仗嗎？我們官兵除槍支彈藥外，一無所有，是以勝利一定是我們的。”
突擊隊進攻五原的時間也經過精心設計。傅作義考慮如果拂曉發動進攻，很快就會天亮，天一亮，日軍便可依托既有的防禦設施和據點進行頑抗，飛機亦可及時支援，這樣不僅進展較慢，而且部隊傷亡也必然不會小。反複推敲後，終于确定在拂曉前三小時猛然插入五原城。
眼看計劃中的進攻時間已到，安春山立即将縱深行軍隊形改為橫廣隊形，向五原新城并列前進。當第一縱隊到達城門時，守衛城門的日僞軍哨兵上前詢問密碼。密碼答上後，他們又問：“幹什麼去？”
“增援！”話音剛落，早就準備好的格鬥高手就快捷出刀，把兩名日本兵給宰了。另外的四名僞軍一看，猶如頂門走了三魂，腦後失了七魄，趕快乖乖投誠。
五原舊城和新城的城牆都已經被拆除，是以城門實際也就是一條警戒線。控制城門後，突擊隊按照訓練中的步驟，利用對五原城情況的熟悉，對各預定目标發動了猛襲。
綏西警備軍對綏軍的乘夜突襲缺乏防備。衆人從夢中驚醒後，隻能倉促應戰，有的還沒穿上衣服就被炸死在床上，有的剛剛從屋子裡跑出來，尚未進入戰鬥狀态，便已喪身于刺刀和手榴彈之下。
得知綏軍攻入了五原城，外圍“綏西自治聯軍”的一個大隊急忙向新城進行增援。所謂先到為君，後到為臣，負責在城外阻援的突擊隊第七隊騙他們說自己也是僞軍，這支僞軍信以為真，七隊便趁他們坐着休息的時候，賞了一頓“機槍粥”，将他們打散了。
經過半夜激戰，突擊隊成功占領義和渠以東的警備軍司令部、糧食倉庫、彈藥庫等大據點，剩餘日軍主力退入了屯墾辦事處、平市官錢局。第二天天剛蒙蒙亮，日機飛臨新城上空增援。