9月29日，國民黨軍第16軍第94、第22、第109師和第53軍第130師共4個師的兵力，在空軍、坦克的配合下，沿平綏鐵路分兩個梯隊向懷來進攻，企圖首先攻佔延慶，再迂迴懷來。
晉察冀軍區第2縱隊沉著應戰，英勇抗擊，擊退了敵人的多次進攻。至10月2日，國民黨軍佔領了岔道、南園、內泡、東西花園地區。3日，國民黨軍第94師由馬圈子沿鐵路北側，第109師由東西花園沿鐵路南側，向懷來以東火燒營、南北七里橋、達子營地區發起全線進攻，並出動飛機100多架次配合地面部隊的行動。第109師為突破晉察冀軍區部隊的陣地，打亂其防禦體系，共發射了7000多發炮彈。
晉察冀軍區部隊進行了英勇的反擊。經4小時的激戰，晉察冀軍區部隊殲滅第109師第325團全部及第327團1個營，繳獲坦克3輛。
國民黨軍從正面進攻懷來受阻，被迫轉攻為守。這時，蔣介石派其參謀總長陳誠，親自到南口，部署部隊從側面迂迴懷來。10月7日，國民黨軍車運其預備隊第94軍第43師及第121師（久1個團）至沙河，企圖從懷來東南20公里的馬刨泉、橫嶺迂迴晉察冀軍區部隊側背。
晉察冀軍區首長針對敵人這一企圖，決定以第1縱隊、第2縱隊第4旅和第3旅、第3縱隊第7旅和剛從西線調來的第4縱隊第10旅第30團在馬刨泉地區設伏。
8日，第43師第127團進至馬刨泉，主力進至水澗地區。晉察冀軍區以第1旅擔任阻援，以第2、第4旅全殲了馬刨泉之敵第127團。敵第43師主力竄回沙河。
至此，平綏東線晉察冀軍區部隊經10多天作戰，殲滅國民黨軍2個整團又1個營共1萬餘人，將國民黨軍阻遏於懷來以東地區。
正當晉察冀軍區集中主力在平綏東線與國民黨軍激戰，張家口西北地區兵力空虛時，傅作義乘機以第35軍第32師偽裝敵軍主力，虛張聲勢向大同、陽高前進，並揚言向平綏路東南張家口進攻。
10月7日，敵暫編第3軍（2個師）並指揮第35軍的新編第31師、第101師、騎兵第4師，由集寧附近經南壕塹（今尚義）去襲擊張北。
由於對傅作義部經由張北迂迴張家口沒有足夠的警惕，傅作義部於8日進到南壕塹、大清溝時，冀察軍區首長第17軍分區誤認為是小股敵竄擾，軍區首長遂令騎兵旅直奔南壕塹、大霸溝殲滅該敵。這時，傅作義部騎兵2000多人直插張北，而張北僅有軍區警備團1個連和1個騎兵連駐守。
傅作義部騎兵迅速突入城內。軍區警備團乘汽車增援，中途遭國民黨軍飛機轟炸，雖趕到了張北，但已處於不利地位，與敵激戰至下午被迫撤退。傅作義部後續部隊到達張北後，繼續向張家口前進。教導旅雖在狼窩溝頑強阻擊敵人，但因寡不敵眾，在晉察冀軍區主力趕調不及的情況下，被迫後撤。10日，傅作義部攻陷狼窩溝。這樣，晉察冀軍區部隊在張垣以北已無險可守。11日，晉察冀邊區和張家口市各機關撤出張家口。
為配合平綏東線作戰，晉察冀軍區第3縱隊第8旅、冀察軍區獨立第4旅和冀中軍區獨立第7、第8旅等部，9月29日向平漢線南起漕河北至涿縣段發起大規模的破擊戰。冀晉軍區獨立第1、第2旅及地方武裝向平漢線於家庄、定縣段出擊。至10月3日，上述部隊經5天的連續戰鬥，先後攻克望都、徐水、定興、容城等4座縣城共殲國民黨軍8000餘人，迫使國民黨軍不得不抽調第94軍第5師和第121師1個團，於10月15日南下增援。冀熱遼軍區部隊也展開了廣泛的出擊，殲國民黨軍7000餘人，收復冀東縣城3座。