1938年1月，阎锡山任命傅作义为第二战区北路军总司令。傅作义的第三十五军在石楼整编后，开赴柳林训练补充。2月，日军继续南犯，傅作义率部东进攻文水、交城等地的敌人。后又迂回全歼离石、大武的日军。3月，四二二团李民济营一部分曾攻进太原，进行巷战，后受挫奉令撤出。
这时，傅作义将军认为自己身为绥远省政府主席，应当驱逐日军，收复失地，以尽守土保民之责。否则，有愧于绥远人民。于是傅将军向阎锡山请求：愿率所部反攻绥远，以牵制华北日军南下。获准后，傅率三十五军移至晋西北河曲、保德、偏关一带，整训部队，伺机反攻绥南。4月，傅作义指挥北路军发动绥南战役，先后收复清水河、和林县城。月底，董其武部进抵距归绥20里的一间房、萨尔沁一线，与日伪军展开激烈战斗。遂后攻打归绥城，鏖战数日，未能攻破。这时的傅作义熟悉了八路军的运动战要旨，下令停止攻城，转移阵地，诱敌深入，寻机歼敌。以后在和林县之察屹洞，全歼日军岩田骑兵联队，缴获战马400匹。6月在偏关县马屉梁阻击战中，重创日伪军。
傅作义部队从太原撤退到晋北以后，与我党和八路军接触更多了。我党的政治工作和机动灵活的游击战、运动战战术，给傅作义部队以很大影响。傅将军愿意与中国共产党合作，效法我党的一些作法，整训他的部队，收到良好效果。
1938年1月，傅军总部驻柳林，傅将军与我党派来的曾山、程子华等同志商谈抗日事宜。之后，傅作义派周北峰去延安晋见毛泽东主席及中央其他领导同志。柳林整训后，傅便着手准备建立军队政治工作，从西安、晋南招收青年学生300人，一面训练，一面研究建立政治工作的办法。3月，傅作义派周钧到岚县参加我党领导的山西战地总动员委员会召开的晋西北地区动员新战士大会。会后，关向应、续范亭、萧克等同志在兴县、临县之间的白文镇与傅作义将军谈协同抗日问题。
绥南战役后，傅军总部驻河曲。傅作义邀请萧克、程子华、南汉哀、曾山、罗贵波等到河曲商谈协同抗日事宜。在此期间，傅作义曾派军到敌占区进行游击战和运动战，歼灭了大量敌人。
傅作义还参照八路军政治工作的做法，先后建立北路军政治工作委员会和所部政治工作机构。中共中央应傅作义的请求，从延安数次选派潘纪文、鲁志浩等干部到河曲，帮助傅部建立政工制度。傅作义将军委托潘纪文，拟定《北路军政治工作守则》，在部队贯彻执行。傅作义还参照八路军《三大纪律八项注意》，制定了一个《十项纪律》，要求官兵实行。
在河曲，共产党的报刊、书籍可以公开传播、阅读。该部军报——《奋斗报》，也经常刊登新华社所发消息。傅作义赞赏周恩来同志的雄才大略，也十分敬佩毛主席的远见卓识。傅将军曾精心研读毛主席的《论持久战》，赞成该书中阐述的战略思想，懂得了新的战略战术，从而坚定了他抗战必胜的信心。
傅作义将军一向以国家民族利益为重，反对阎锡山，王靖国等人的阴谋破坏活动。我党为了加强抗日统一战线工作，11月派南汉宸、罗贵波同赴河曲，向傅作义提交了在傅部帮助工作的共产党员的名单，并公开表示不在友军内发展党员。这些行动受到傅作义的赞许。
这年年底，傅作义将军参加国民政府军事委员会在陕西武功召开的军事会议，接受第八战区副司令长官的任命。1939年2月，傅部由河曲抵绥西五原，在这里设副司令长官部。从此，傅作义部队脱离阎锡山的晋绥军体系。3月，绥远省政府由榆林迁回五原，遂后成立绥远省动员委员会，以实行全民抗战。4月，傅作义多次与南汉宸、萧克、曾山、续范亭等密谈合作抗日事宜。5月，傅作义亲自主持在百川堡举办的“抗日建国讨论会”。“抗建会”先后举办5期。历时3个月。通过学习讨论，统一了思想认识，坚定了抗日必胜的信念，建立了军政民一体的领导体制，实行了全民抗日总动员。“抗建会”引起了国民党中央的非难，派中央委员姚大海胁迫排除傅部内的共产党员。在此形势下，傅作义只得将各军政机构中的大部分共产党员安全送回延安。
为了牵制华北日军不使南调，傅作义于1939年12月发动了袭击日军重要据点包头的战役。
傅作义先采取“攻而示之守”的策略，以麻痹敌人，加强战前练兵和各项准备工作。12月13日，傅作义部署了攻击包头的任务，骑六军军长门炳岳率骑兵第七师，于17日按计划破坏了由归绥至萨县之间的铁路，并牵制、阻击增援部队。19日，各攻城部队急行军向包头进发，20日晨开始进袭包头。由于傅部已做了对伪军的策反工作，当傅军爬城时，伪军营盘或据点都插了白旗，有的小声说：“中国人不打中国人。”结果傅军未发一枪，分别从水巴洞、西北门或城墙上，突入城内。
傅作义的入城部队，如神兵从天而降，打得日军狼狈逃窜。当天上午9点，占领了营盘梁以西高地及神庙街各点。11时以后，敌人从城内东西两方，由坦克掩护步兵，向傅军反扑，在城内进行港战，争夺十分激烈。21日晨，敌人由萨拉齐的援包部队赶到，向城内发起攻势，傅军与敌军艰苦奋战一天，许多据点得而失，失而得。在城内激烈战斗的同时，20日由固阳、安北向包头增援的骑兵，遭傅部阻击军队的打击，战至深夜未息。这天，新三十二师师长袁庆荣、一O一师师长董其武各率部队向包头急进，支援在城内巷战的孙兰峰师。21日袁、董两师抵达后，立即投入战斗，战幕深夜，大量杀伤敌人。为了保存有生力量，傅作义命令是夜撤出战斗。
包头一战，给予敌人沉重打击，毙伤敌人3000余人，其中日骑兵联队长小原一明大佐、小林一男大佐在此役丧命。另外，还击毁敌人汽车60余辆，坦克4辆，缴获大批武器弹药。
日军为了报复包头的失败，自1940年3月起，从张家口、大同、太原、临汾抽调日军3万余人，加上伪蒙6个师，统由日酋黑田重德师团长指挥，向我河套大举进犯。对此，傅作义将军在备战、演练空室清野、动员民众等方面做了准备。
1月28日，日军由包头开始西犯，遭傅部骑兵七师的英勇阻击。2月1日，日军主力突破乌不浪口及乌镇，在三女店遭到傅部新三十一师阻击。第二日，敌人进至万和长地区，再次遭傅军阻击，使敌人伤亡惨重。2月2日，傅军与进犯五原的敌人血战，给日伪军以重创。是夜，傅军脱离战斗，向后转移。3日，日军占领百川堡、五原。3日至6日，当日军得意忘形，宣传“胜利”之时，却进入傅军包围圈，敌遭打击而惨败。2月中旬以后，敌人由于战线过长，被迫收缩东撤。傅作义挥师急进临河、陕坝，收复失地。日伪军退至五原后，傅军开至邬家地以西，集结整训，并不断袭扰敌人。绥西会战，傅作义运用游击战配合运动战的战术，打击消灭了敌人，保存了自己，为收复五原创造了条件。
日寇在五原屯兵15000人，构筑防御工事，妄图永远霸占五原重镇。2月，傅作义召开军事会议，分析敌我形势，动员收复五原城。20日黄昏，傅军便衣突击队与伪军主英所部一个团遭遇，经过争取，晓以大义，该团反击，突击队顺利进入五原城，迅速破坏了城内通讯设施，并在城内发起攻击。城外部队听到枪声后，于21日在孙兰峰师长指挥下，从五原城西面进攻，拿下西关和黑头屹亘两个据点，进而消灭城内义和渠以西的敌人。战斗到第二天，五原新城解放。袁庆荣指挥新三十二师，由新北向五原旧城进击，战至20日中午，敌军向东搜退，傅军占领五原旧城。
傅军在围攻五原新、旧城的同时，骑六师向城外各据点发动攻击，战至21日夜，击溃日伪军。另外，董其武部为总预备队，除支援五原攻城外，并派重兵在乌加河畔阻击增援部队，使五原之敌失去援助，陷入孤军作战。
3月23日夜，五原战役以击毙日军水川中将、大桥大佐、桑原特务机关长，歼敌3400人，俘敌300余人，缴获许多大炮、汽车等辉煌战果而胜利结束。经此一役，敌人未敢再犯绥西。
五原大捷，是全国抗战以来国民党军队中第一个收复失地的战役，巩固了大西北屏障。蒋介石授傅作义将军“青天白日勋章”，傅将军发表辞勋呈文，称五原之捷，是所部全体官兵艰苦奋战的功绩，个人不应领此勋奖。
从五原大捷以后，两军形成对峙。傅作义的工作着手于医治战争创伤，整理部队，加强政权建设，发展生产，兴办教育等方面。例如，傅曾成立“战地复兴委员会”、“土地整理委员会”等，宣布停止放垦，对已放垦的土地清理整顿，将清理出的地主、地商执照外的耕地，按谁种谁租的原则归农民永租，体现耕者有其田的主张。为了发展水利事业，傅曾派部队疏浚旧渠40余条，还特拨贷款，大兴水利建设。这些措施，使农业生产有了发展，也保障了部队的供应问题。