午后，国军的反击在惊天动地的炮火轰鸣中拉开帷幕。
炮1师三个榴弹炮团共一百零八门一百零五毫米榴弹炮率先开火。紧接着，火箭炮师的一百零八门飓风火箭炮同时齐射，一千七百二十八枚一百三十毫米火箭弹拖着刺目的尾焰划破草原上空，密集的弹道在空中交织成一张巨大的火网，劈头盖脸砸向苏军阵地。重炮1团的三十六门一百五十毫米重型榴弹炮发出低沉的怒吼，炮弹带着火车般的呼啸声越过国军前沿阵地，狠狠砸在苏军纵深。
炮火准备持续了整整三十分钟。
苏军阵地在这三十分钟里变成了一座人间炼狱。弹药堆积点被引爆，炸开的火光冲起几十米高。卡车和装甲车被冲击波掀翻，在地上滚了几圈后起火燃烧。通信线路被炸断，指挥所被直接命中，团长和参谋们被埋在坍塌的木结构掩体下面。炮兵阵地上，还没来得及转移的榴弹炮被火箭弹覆盖，炮管被炸成麻花，弹药箱连锁爆炸，整个阵地被浓烟和烈火吞没。
苏军前线指挥官在炮火中拼命呼叫后方请求支援，但电台被炸坏了，电话线被炸断了，旗语在浓烟中根本看不见。各团各营之间的联络完全中断，整条战线被炸得支离破碎。
炮火开始延伸后，国军空军五个大队共两百余架飞机出现在战场上空。第九大队和第十大队的战斗机率先俯冲，机炮和机枪扫射苏军阵地上残存的火力点。第十一大队和第十五大队的九十六架朱雀轰炸机分波次进入轰炸航线，炸弹如雨点般落在苏军坦克集结区、炮兵阵地和后方公路上。第十四大队的战斗机在战场外围巡逻，拦截任何试图逃窜的苏军车辆。
苏蒙军完全没有料到国军会主动发起反击。在他们的判断中，国军能够守住阵地就已经是极限了。当密集的炮火砸在头上时，许多苏军士兵还蜷缩在临时挖的散兵坑里，连头盔都没来得及戴。
一名被俘的苏军团长后来供述：“我们以为你们能挡住我们就已经耗尽全力，根本没有想到你们还有余力发动反攻。”
炮火向苏军纵深延伸后，国军地面部队按照预定方案从三个方向同时发起进攻。
独11师从正面向苏军第192师的残部发起冲击。该师三个团在师属炮兵的掩护下展开波浪式进攻，步兵以连为单位交替掩护前进，每前进一段就停下来用迫击炮和重机枪压制苏军火力点，然后再继续推进。苏军残存的机枪阵地不断开火，国军士兵在开阔地上倒下了一批又一批，但后面的梯队没有丝毫犹豫，踩着战友的遗体继续往前冲。独11师师长亲临前沿指挥，被流弹打中左臂，简单包扎后继续站在战壕边上督战。
独14师从西侧向苏军第94师的右翼发动猛攻。该师以装甲1团的一个坦克连为先导，十辆二九式中型坦克排成楔形队形在前面开路，步兵紧随其后。
苏军残存的几门四十五毫米反坦克炮开火，炮弹打在二九式坦克的倾斜装甲上发出刺耳的撞击声，但无法击穿。
国军坦克炮塔转动，七十五毫米坦克炮一发一发地点名，每一炮打出去都有一门苏军反坦克炮被炸飞。独14师的步兵从坦克后面涌出，冲进苏军战壕，双方在狭窄的战壕里展开激烈近战。
装甲1团主力从东侧出击，坦克和自行火炮沿着炮火撕开的缺口向苏军后方猛插。他们的任务是切断苏军的退路。
苏军第61坦克师残存的坦克试图拦截，但BT-7的四十五毫米炮在二九式坦克的正面装甲上只能打出一个个浅坑，而二九式中坦的七十五毫米炮一发就能贯穿BT-7的任何部位。二十分钟的交火中，苏军又有三十多辆坦克被击毁，残存坦克仓皇后撤。
自行火炮团的七十五毫米自行火炮紧跟在坦克后面，不断向苏军后方的炮兵阵地和指挥所开火。一支苏军运输车队在公路上被自行火炮拦截，三十多辆满载弹药和油料的卡车被打成了一条燃烧的火龙，浓烟在几十公里外都能看见。
苏军虽然遭到了毁灭性打击，但并非一味挨打。
第94师的政委组织了敢死队，用集束手榴弹和燃烧瓶向国军坦克发起自杀式冲锋。士兵们在政委的逼迫下从战壕里冲出来，抱着炸药包冲向国军坦克。有人被机枪扫倒，后面的人捡起炸药包继续冲。一个苏军士兵成功地爬上了一辆二九式坦克的发动机舱盖，把燃烧瓶砸在散热口上，火焰瞬间吞没了引擎，坦克被迫停车，乘员弃车逃生。但这样的战果在整个战场上屈指可数，大部分敢死队员都在冲锋途中被国军机枪火力击毙。
战至下午三点，苏军战线被多处突破。独11师从正面攻入苏军主阵地，与独9师残部合力，将第192师的残部压缩在一个狭小的区域内。独14师突破了第94师右翼，正在向苏军指挥部方向推进。装甲1团和自行火炮团成功插到苏军后方，控制了公路交叉口，切断了苏军向北撤退的唯一通道。
苏军第94师、第192师、第114师的主力以及第61坦克师和独立第11坦克旅的残部全部被围在了一个长约二十五公里、宽约十五公里的椭圆形包围圈内。第17集团军司令部与外界的联系完全中断。
下午四点，白轩站在集宁前敌司令部的作战地图前，看着参谋们把代表苏军主力的几个蓝色符号全部圈进了一个红色的包围圈里。他拿起电话，拨通了太原的专线。
“报告李主任。各反击部队已按计划完成突破，苏军第17集团军主力三个步兵师及全部装甲部队已被合围。包围圈正在收紧。”
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