10月4日，清晨六点。
第一缕晨光照在乌兰察布草原上时，国军的炮火准时响起。
炮1师一百零八门一百零五毫米榴弹炮、重炮1团三十六门一百五十毫米重型榴弹炮、火箭炮师一百零八门一百三十毫米飓风火箭炮同时开火。三个炮兵群在统一指挥下对包围圈内苏军阵地进行毁灭性覆盖，炮弹落点密集如雨打水面，爆炸的火光连绵成一片，整片草原都在剧烈颤抖。
独11师和独14师所属的师属炮兵营同步加入火力准备。两个师共八门七十五毫米野炮、十六门七十五毫米山炮、八门四十七毫米战防炮对前沿苏军工事进行直瞄射击。
炮弹精准地钻进苏军残存的地堡和机枪掩体，将最后的防御工事逐个摧毁。各团团属炮连的九二式步兵炮推到前沿抵近射击，在几百米的距离上用高爆弹将苏军阵地上残存的火力点一一点名。
火箭炮师的齐射最为壮观。一百零八门飓风火箭炮每轮齐射便是一千七百多枚火箭弹，弹道在晨光中拖出密集的白色尾焰，像一张巨大的火网从天而降。苏军阵地上残存的车辆、火炮、弹药箱被火箭弹覆盖后引发的连锁爆炸此起彼伏，燃烧的汽油和弹药将整个包围圈照得如同白昼。
空军五个大队倾巢而出。第9大队的研驱二B和第10大队的研驱一F在战场上空盘旋，不断俯冲扫射苏军阵地上任何试图移动的目标。第11大队和第15大队的九十六架朱雀轰炸机分波次进入投弹航线，炸弹如雨点般落在苏军集结区。第14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。
经过四十分钟的炮火准备后，国军地面部队从四面同时发起总攻。
装甲1团剩余的全部坦克和自行火炮团作为突击箭头从北面率先发起冲击。七十多辆坦克排成楔形队形，履带碾过被炮火炸得松软的草原，七十五毫米坦克炮不断开火。苏军残存的几辆坦克试图迎战，被二九式坦克在远距离上一一摧毁。自行火炮团的七十五毫米自行火炮紧跟在坦克后面，用高爆弹摧毁苏军残存的反坦克炮阵地。
独11师的步兵紧随装甲部队之后从北面突入苏军纵深。三个团沿装甲部队撕开的突破口涌入，以营为单位向两翼展开。步兵班排按照标准战术推进，轻机枪组在前方提供压制火力，步枪组在侧翼掩护，枪榴弹手瞄准掩体后方的苏军火力点逐个清除。各连的六十毫米迫击炮在步兵冲击线后方提供近程火力支援，炮弹从步兵头顶飞过落在苏军战壕里，爆炸的弹片还没落地，步兵已经冲到了战壕边上。
独14师从东面发起突击。这个师在昨夜的防御战中伤亡最大，但士气反而最高。三营作为突击先锋率先攻入苏军第94师的防区，士兵们在坦克掩护下逐条战壕逐条战壕地推进。每条战壕先用迫击炮轰一轮，然后步兵冲进去用冲锋枪和刺刀清理残敌，枪榴弹手跟在队伍后面，随时准备打掉苏军的机枪火力点。
独9师残部从南面发起进攻。这个师已经打了整整两天两夜，伤亡超过百分之四十，但残余的部队仍然以严整的队形向前推进。苏军第192师残部试图在南线组织最后抵抗，一个营的苏军步兵在政委逼迫下端着冲锋枪发起反冲锋，被独9师的重机枪和迫击炮全部击毙在开阔地上。
上午十点，苏军战线开始全面崩溃。
第94师的防线最先被突破。国军坦克冲到师部所在的河沟时，师长正在烧文件。一辆二九式坦克停在河沟边，炮塔转过来对准了河沟里的苏军指挥所。师长举起双手走了出来，身后跟着参谋和警卫。师政委抓起一支冲锋枪试图反抗，被坦克机枪当场击毙。
第192师的残部被压缩在包围圈中央一块不足三平方公里的洼地里。炮弹不断砸在这块巴掌大的区域内，洼地里烟雾弥漫，到处是尸体和燃烧的车辆残骸。独11师从北面攻入洼地后，苏军士兵开始成批投降。有人把步枪举过头顶跪在地上，有人从弹坑里爬出来挥舞着白布，还有人直接扔掉武器朝国军阵地方向跑来。
中午，苏军残存的坦克全部被摧毁或缴获，炮兵阵地被逐一占领。包围圈内残余的苏军被切割成几个孤立的小块，彼此之间失去联络。
下午，独14师攻入第17集团军司令部所在的那片洼地。集团军司令坐在地上，靠在被打坏的指挥车轮胎上。他的参谋长中弹身亡，尸体倒在不远处。司令看着围上来的国军士兵，缓缓举起双手。身边的警卫排还想抵抗，被机枪扫倒。
蒙军骑兵师的抵抗在下午三点完全瓦解。第6骑兵师师长带着几个团长策马向北逃窜，被国军装甲部队追上拦截。师长弃马举手投降，他的部下们纷纷下马扔掉武器。第7骑兵师的残部沿着干涸河沟向东北方向逃窜，在边界线附近被国军骑兵团截住。短暂交火后，残存的蒙军骑兵全部下马投降。
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