兩支部隊協同進行大兵團作戰，無論是對晉察冀部隊還是對晉綏部隊來說都是第一次，如何搞好戰役的協同作戰，是聶榮臻和賀龍一直思考的一個問題。他們共同商定了這一次戰役的具體部署：晉察冀部隊從東向西進攻，首先殲滅隆盛庄、張皋的敵人，而後，各個擊破豐鎮、集寧間的敵人；晉綏部隊由南向北進攻，消滅涼城、新堂、天成村之敵後，向集寧方向發起進攻；然後，兩區部隊繼續協力殲敵主力於綏東地區。
10月15日，聶榮臻發布了綏遠戰役命令，隨即率部西進。18日、19日各部隊展開了進攻：冀察冀縱隊取隆盛庄；冀中縱隊取張皋、三水嶺、官村；冀晉縱隊一路向聚樂堡，一路向紅砂壩、豐鎮。很快攻佔上述各點。與此同時，晉綏軍區部隊佔領了涼城、新堂、陶林等地，向卓資山疾進。
在兩個軍區部隊聯合進攻下，傅作義急忙收縮，採取「一觸即退」的戰法，迅速向大本營歸綏集中。由於傅部撤退迅速，晉察冀與晉綏作戰部隊未能將敵人的退路切斷，聚而殲之。敵人集中重兵于堅城之內，造成攻堅上的巨大困難。
10月22日，在集寧的敵35軍軍部和101師成了孤軍。傅作義起家的老本錢便是35軍，這是當年張學良給他的番號。而35軍的主力又是101師。如果把這股力量消滅掉，將是對傅作義的沉重打擊。聶榮臻抓住了這個戰機，當即決定以冀察、冀中兩個縱隊聚殲該敵，令冀察縱隊立即進佔集寧以西的十八台，切斷敵人退路；令冀中縱隊佔領集寧以南的榆樹灣、腦包山，從南、西南對集寧發起進攻。23日，冀中縱隊佔領了榆樹灣、腦包山，擊潰101師的1個團，並以一部兵力前出到集寧以西。敵35軍軍部和101師乘夜棄城西逃。24日，晉察冀軍區部隊佔領集寧。25日，晉綏軍區獨立第1旅曾將集寧逃敵堵截在魁盛庄西北，但因後續部隊未及時趕到，敵我兵力過於懸殊，經激戰，敵人還是逃跑了。
10月25日，晉綏部隊在卓資山打了一個漂亮仗，全殲敵新編第26師4000餘人。聶榮臻立即發布命令，號召晉察冀軍區部隊向兄弟部隊學習。
20日，聶榮臻的指揮所前移至隆盛庄。26日，他與晉綏野戰軍司令員賀龍相會。他們一起到了卓資山。兩區部隊會合了。27日，中央軍委在給聶、賀的電報中強調：「此次作戰，必須達成殲滅傅頑主力之目的，應將我主力運動到傅頑陣地背後去，由西向東打，方可聚殲。」據此，聶榮臻與賀龍、李井泉一起確定了下一步的作戰部署：針對敵人約6個師撤進歸綏，決定先肅清外圍，合圍歸綏，再行攻城；另派一部分兵力趨向包頭，切斷傅部西逃之路，孤立歸綏。
10月底，兩區部隊完成了對歸綏的合圍。11月中旬，晉綏2個旅、冀察縱隊1個旅開始攻打包頭。聶榮臻在陶卜齊設立了指揮所，指揮攻城作戰。歸綏守敵6個師2.4萬多人，糧彈儲備充足，決心固守。而聶榮臻所部全屬初建，沒有大兵團作戰和攻堅的經驗，又缺乏大炮，屯兵堅城之下，陷於僵持局面。不久，又從西線報來戰況：攻擊包頭受挫，寧夏馬鴻逵的一個騎兵師前出到臨河，逼近包頭。在這種情況下，11月13日他從陶卜齊繞到歸綏城西與賀龍、李井泉會晤，再次商議下一步的決策。
聶榮臻和賀龍感到：我軍兵力在歸綏、包頭雖略佔優勢，但勞師遠征，供應困難，難為久計，且兩區再要增兵都有很大困難，嚴冬即至，帶來了更多不便，能拿下包頭再回師歸綏當然最好，否則不宜久滯堅城之下。他們決定由賀龍、李井泉率晉綏部隊西進增援包頭，晉察冀部隊繼續圍困歸綏。以上部署向中央軍委作了報告。中央軍委11月16日回電，令聶榮臻率晉察冀部隊與晉綏部隊一同西進，在歸綏只留少數部隊控制要點，作彈性圍困。如果包頭不能迅速攻佔，晉綏部隊西進消滅馬鴻逵援兵，奪取五原、臨河、陝壩；晉察冀部隊主力控制包頭至歸綏中間地區，隔斷歸綏、包頭敵人的聯繫，相機攻取包頭，引敵出來，求得野戰；晉綏部隊完成任務後，留一部分部隊控制五原、臨河、陝壩，主力回師東進，與晉察冀部隊再攻歸綏。
這是一個傾全力取包頭而置歸綏於不顧的方案。聶榮臻對這一方案的能否成功頗為擔心，於11月17日實事求是地向中央軍委提出如下建議：
第一，如果晉察冀部隊主力西進，圍城部隊即轉為劣勢，而敵人必然乘機反擊。「因傅頑以主力固守綏城，並非單純防守，而系取積極防禦，連續主動的出擊，企圖尋求機會對我各個擊破……如我圍城部隊轉為劣勢，敵必集中力量向我反擊，則全部戰局有惡化的危險。」
第二，如以全部主力西進，去奪取五原、臨河、陝壩，這樣，就分為歸綏、包頭、河套三個戰場，相距800餘里，勢必兵力分散，三處力量皆弱，難以相互策應。
第三，綏遠地區並非根據地，沒有鞏固的後方補給線，糧食、彈藥無法迅速前運，傷員後送也是個大問題。
因此，他主張先打幾仗再看情況，必要時結束綏遠戰役。中央軍委11月22日複電，仍主張聶部主力西進，集中力量攻取包頭。但又指出，「我們對於前方情況不了解」，希聶、賀根據前方實際情況處置。此後，直到12月上旬，晉察冀、晉綏部隊在歸綏、包頭都曾採取圍城打援的辦法，擊退了歸綏出擊的騎兵第4師；包頭方向擊退了馬鴻逵部騎兵第10師的增援，但殲敵不多。此時嚴冬已至，部隊困難日多。於是，經中央軍委同意後，聶榮臻於12月13日下達了結束綏遠戰役的命令。