战斗打到当晚十一点时，百灵庙方向的红军，接受到了来自边包头方向的第一批援军：一千五百人的生力军。而后每过两小时，都有同样接近这个数字的援军不断加入。
这是林虎相对日军的第三个优势，他手上拥有整整四十辆的大卡车！
从昨天起，这四十辆大卡车就从包头向百灵庙运兵，四十辆大卡车，每次的运兵数量是一千五百名战士。包头方向赶来的援军，不断地被拉到距百灵庙南边二十多公里外的谷地里集结，然后步行前进――之所以不是直接拉到百灵庙，却是因最后一段道路难行的原因。
至于前面的道路，除了少部分稍稍修过，余下的大部分，也不过是商旅们无数年里用脚踩出来的很差的路。那些坐车过来的战士，其实也是被颠得受不了。
尽管大半的战士在这过程中都被颠吐了，但是靠着四个轮子相助，他们还是赶上了围歼谷寿夫部后半段的战役。
随着援军不断地加入，战到天亮的时候，围攻谷寿夫部的红军，总兵力已超过了两万两千人。
谷寿夫的精锐日军，在夜战里虽然打成乱战，没有坦克的他们，还是仗着出色的素质，一次又一次地打穿红军设下的拦截防线，不断地东撤。
数量已按近对手八倍的林虎三部，就象一群狼在追杀一头受伤恶虎，无论怎么追咬，总是无法把他完全围住。不过此时第六师团已经不可能跑掉了。在得到援军加入后，林虎三把追击的部队分为几股，轮流追击，轮流休整，却不给谷寿夫的部队任何喘息的空间。
战斗，死战，再战，不停地战斗。被追击中的谷寿夫，只感觉追杀他的红军象无穷无尽的虫海般，不断地向他涌来，妄想将他的部队围住，淹没，吃掉。
他只能不断地命令部队前进，突破，不断地打穿面前临时组成的薄弱防线，继续前进。
可是没前几步，已绕道其前方的红军，又形成了新的一道防线，再击穿，再进。
每次击穿拦截，好象都很容易，可是面前阻截的敌人，却仿若无穷无尽，怎么也打不完，杀不光。
他的部队就好象是一只掉入蛛网蝴蝶，身上已缠上了蛛丝，看似稍稍一挣，就可以脱身飞走，但实际上，束在他身上的蛛丝，却正在越缠越多，他的挣扎也越来越无力。
战斗打到早上八点时，谷寿夫的部队，只是化成了两部。
一部是机动力最高的骑兵部队，在夜晚的混战中，他们仗着黑夜掩护，多次杀出重围又绕道杀回，给红军造成极大的伤亡，当然自己也同样死伤惨重。天明后意识到大势已去的这支日军骑兵方才全力东撤――不过他们并未成功逃走，这支筋疲力尽的骑兵部队，在上午十时运气极坏地撞上了正连夜从东南方赶来追击的晋绥军骑兵2师。
茫茫草原上，要追赶一支逃窜的骑兵并不容易。但是红军有飞机。一架追击日军的爱尔五轰炸机在打尽子弹后，就一直在该骑兵部队头上打转，并不断地通过无线电通知附近最近的傅作义骑兵部队。
一边是状态正满的晋绥军骑兵，另一支是苦战一夜，人马皆疲倦欲死的鬼子败逃骑兵。双方在蒙古草原上很快就开始了一场不对等的战斗，参战日本骑兵在一个小时内全军覆没。
至于另一支谷寿夫的残余主力部队，在天亮后，已经彻底地杀不动了。
他的部队，最后困守在距离百灵庙东南方五十公里的一座小山上，结阵自守。这里附近有个小小的牧民聚集地，名字叫塔日牙。
此时，谷寿夫清点身边的部队，哪怕加上少量的伪蒙军，仅有人马一千人微出头，而且大半身上皆带伤。
而这个时候，超过一万三千的红军部队，将他围得结结实实。
除了这里外，另一处被包围的日军，却是昨夜被红军围住的伤兵营，七百多名被遗弃的日军伤兵被聂政委指挥的三千多红军团团包围。这群受伤的鬼子兵，明明已经弹尽粮绝无路可逃，可是依旧狂妄叫嚣着要为帝国玉碎，不肯投降。
在劝降多次无效后，聂政委一声令下，四面包围的红军一阵火炮猛轰，外围早已修好，恢复战斗状态的坦克集群掩护步兵突击，只是一波就扫平了伤兵营。令聂政委感觉震憾的是，在这过程中，进攻的红军的士兵看到绝望的日本伤兵不断地发生自杀，先杀伤员再自杀的事......而一些军官甚至在最后时刻很凶残地拿起机枪对着自己的伤兵疯狂地扫射。
“对别人凶残，对自己人也如此凶残！”
最终，红军只在这个伤兵营里俘虏了不到三十多名日军伤员。
见大局已定，为了减少伤亡，林虎三倒也不急着进攻谷寿夫的残部，命令苦战一夜的红军各部停下休整。从昨天战到现在，他部队不但十分疲倦，编制上也非常地混乱。围住谷寿夫后，各部队主力趁机停下重整，同时等着后方将大炮和给养运过来。
开战前林虎三手上拥有十二辆坦克，三十辆装甲车。打到现在，能开动的坦克只余下三辆，其余的要么受伤，要么出了机械故障需要修理，或者用光了燃油等着后勤送上。至于装甲车，在昨晚乱战中也被日军击毁了五辆，余下的也多有损伤，而且现在日军都在山上，勉强开来也用处不大了。
“铁甲车”确实是纵横四方的“战场之王”，但是如何侍侯好他们，也是很让人头痛的事。蒙古草原虽然适合坦克作战，但是没有修整过的道路，坦克拖车在很多地方都开不过去。
装甲团团长陈光跟着他的宝贝t26坦克来到林虎三指挥中心时，林虎三正在和太原方向通电报，电报的内容，无非是询问总部，是要直接全歼谷寿夫部，还是在这里围点打援挖个大坑。
而包围了谷寿夫的红军，这时则在原地挖崛战壕――不光是要防止鬼子反扑突围，也防备热河方向的日本飞机过来轰炸。
而在百灵庙机场这儿，这时也有一支红军部队正在紧急修理昨天大战被破坏的机场。这个时期的飞机对跑道要求很低，上千人同时工作，很快就修好了大段的跑道。而先前缴获的日军汽油桶，也被推到了跑道边上――这里离谷寿夫被包围的地点只有几十里地，是最好的前线野战机场。
到了中午的时候，又一支援军赶到，正是傅作义派出来的援军，211旅与大青山独立师组成的联合部队。
211旅的旅长孙兰峰和林虎三在巴彦旧尔交过手，很倒霉的一战全旅被俘。不过当时红军要争取傅作义部，在李主席在了解到211旅从长官到士兵，都是不扰民、官兵一体，非常象红军之后，更是亲下指示一定要善待这些俘虏。有病治病有伤治伤，同时要努力地争取和交好。
在作为俘虏的那段时间，孙兰峰反而和林虎三成了朋友。除了枪被收走外，双方士兵关系反而十分地容洽。长官在交流军事心得，互相学习，下面的士兵也差不多。红军官兵吃什么，211旅的官兵也吃什么。
卫立煌部在山西战役后，其在俘虏营里所遭遇的一切，孙兰峰却比其还早享受到。等到了七月，红军与傅作义达成包头换张家口协议，两家化敌为友后，211旅全部官兵都被放回。
释放的时候，林虎三依上级指示，将缴获的武器如数奉还，双方将领还互相赠送了各自的配枪，彼此间已有相见恨晚之意。
当时，聂政委告诉孙兰峰：“贵军我是军见过的纪律最好的国民党军队。你们的部队，其实离转变成人民的军队，只差最后一步了......”
孙兰峰归建后，傅作义问明情况后，一个人在屋里坐了很久。事后他倒也没有“为难”明显“立场不稳”的部下，仍然让他官复原职。这个时期的傅作部，他的部队也在飞快地扩张中，山西战役结束后，阎老西被炸死，傅作义接收了大量的晋绥军旧部旧友投靠，充当军官填充自己的新军，比如著名的陈长捷，他就是在战役中被俘而后被释放，然后投靠了傅作义。老傅手上当过红军俘虏的原绥军军官多得很呢。红军的那一套，他是又羡慕又知道厉害，一直都在有意无意地向红军学习。
后来的日子里，随着河北和平津局势力日渐紧张，傅作义这边也是拼命地练兵和囤积武器弹药。而后他虽然“被迫”加入红军组建的北方抗日联盟，但是作为“盟主”的红军，根据协议，该给的武器补给一点都没有少，光是从苏联进口的反坦克枪就接收到了上百把。
傅作义虽然是个军阀，心里也有些个人的小九九想法，但这个人有气节、有义气、民族大义却是从不含糊。得知百灵庙战事起，不等红军要求，立刻就在第一时间发兵，而且是派出和林虎三关系最好的孙兰峰领军。
随着晋绥军援军的加入，谷寿夫残部的最后一点逃生希望也彻底破灭。
谷寿夫部最终坚持到了十月八日下午，方才全军覆没。围歼其部的过程，最大的波折，就是这两天，不甘的日军从热河方向，派出多波次飞机进行轰炸和空投补给物资。
可是这个时候红军已经在更近的百灵庙建立前线机场。来援轰炸机在没有护航机的掩护，完全就是纯粹的送人头，两天的空中支援的后果，反而是让参战的苏联空军这儿在中国诞生了第一位王牌飞行员（击落五架）。而且由于战斗机的干扰，空投的物资也大多落入红军的阵地上。而日军付出的代价，却是又送了近四十架飞机的“人头”。
而后，损失惨重关东军大本营，说什么也不肯再派飞机过来了。
而大炮运到，部队修整完毕后，红军和晋绥军的联军开始猛攻山上的日军。爱尔五轰炸扔下的汽油弹把整座山的植被都点燃了，而乏补给，疲倦不堪的谷寿夫残部，在红、晋联军发动总攻十八小时后全军覆没，谷寿夫、柳川平助连同部下全员“玉碎”。
柳川平助是在绝望中开枪自尽。至于谷寿夫则死得比较惨，他在山上的临时指挥中心被一发汽油弹击中，而活活地被烧死。红军事后是通过其焦尸附近发现的将官刀，才确认了他的身份。
为了纪念这场战役，击毙二人的无名山后来被改名为落日山。
石原莞尔策划的百灵庙战争，战役结束时，却只有数十骑兵，在战后两星期内，陆陆续续地通过各种渠道逃回热河。
整场战役，包括飞行员和前期潜伏特务在内，参战日军人数高达七千人，事后检点战果时，战死的日军人数达到六千五百人，而被俘人员，仅有四百三十五人，而这四百多人人几乎人人带伤，除此之外还有十六名被击落飞机上的飞行员当了俘虏。
日本陆军战俘，被俘后也大都不老实，甚至反抗袭击红军战士，其间又被击毙了数人，此外因为绝食和自杀，或伤重而亡，又死掉多人。最后算上飞行员战俘，减少只余395人。
十月九日，一架从百灵庙起飞的飞机在北平降落，带来了战地记者前线拍摄的照片，以及缴获的日本军刀等证物，而后驻北平的红军代表伍豪，召开记者招待会，宣布了这一重大消息。
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