羅歷戎在孫連仲的催促下兼程北進，18日晨由定縣出發途中，兩次接到國民黨空軍投下的「我們發現共軍大批密集部隊南來，距你們很近，請第3軍緊急做戰鬥準備」（《文史資料選集》第20集，文史資料出版社，第157頁）的信袋。
羅歷戎閱後，放棄到望都宿營的計畫，改在清風店附近的東南合及南北合等幾個村莊宿營，並令部隊加緊構築工事，準備戰鬥。同時，請求北平行轅派兵接應。國民黨空軍為掩護第3軍北上和遲滯晉察冀野戰軍行動，自17日至19日，曾出動各型飛機30架次，轟炸掃射行進中的解放軍，但未能幫助第3軍擺脫困境。19日晚，第3軍即被包圍。
20日拂曉，晉察冀野戰軍發起攻擊。楊得志、楊成武、耿飈發布命令：北面阻援兵團應「用一切有效手段，求得在敵前進中殲滅其一部，大量殺傷消耗敵人，堅決阻敵南援」。待我南面將第3軍4個團殲滅後，「再放敵南來」；「南面各兵團，堅決殲滅北進之敵，集中兵力、火力，發揚三猛戰術。對北面不要顧慮，即使北面之敵進到望都，我仍要繼續打下去，一直殲滅這股敵人為止。」
由於敵第3軍集中在以西南合村為中心的幾個村子裡，形成了梅花形的防禦體系，兵力、火力均較集中，因此，激戰一天戰果不大。
20日晚，楊得志等人決心先將守敵分割，予以各個殲滅。以第10旅並指揮第11旅之31團奪取南合營；第11旅主力攻擊東西同房；第9旅攻擊高家佐；第4、第6旅攻擊第3軍軍部和第7師主力據守的西南合。
經21日一天激戰，晉察冀野戰軍備部隊攻佔了南合營、高家佐、東西同房，鞏固了西南合村東北面和西南面突破口，為最後殲滅第3軍創造了極有利的條件。
在21日戰鬥時，國民黨軍出動飛機10餘架次，在解放軍陣地和後方的上空低空盤旋掃射轟炸，被解放軍的輕重武器擊落、擊傷各1架，有6名飛行員被俘。此後，飛機就再也不敢低飛了，所投的糧食和彈藥也大部分落在解放軍陣地上。
22日3時40分，晉察冀野戰軍集中5個多旅的兵力，在強大炮火掩護下，向退守西南合的羅歷戎部發起總攻。
羅歷戎久盼援軍未到，見大勢已去，令副軍長楊光鈺和副參謀長吳鐵錚在軍部指揮，自己跑到第7師指揮所與師長李用章組織部隊向北突圍。衝擊多次，均被擊退。8時許，羅歷戎、李用章等人被俘，其餘各部也先後放下武器。
22日11時30分，戰鬥結束。