这时仍是全歼敌的大好时机，并是最最关键时机，只要外围我军全线进攻，会同集宁守军里应外合，敌人插翅难逃，为了全歼敌军，我军于9月12日十六时开始对集宁城内外敌发起进攻，但就在这时，大同前敌指挥官张宗逊又犯了第二个错误，也是致命的错误，因为郭景云101师凶猛来援，张宗逊决定停止已开始的对集宁内外傅军围歼，无异于放虎归山，张抽调大部主力，西出大脑包山，以首先歼灭援军101师。只留4纵11旅和城内守军与董部巷战，因此两个方向都形不成优势兵力。既未能战胜101师，又未能将董部逐出城外，集宁守军经1天多巷战，伤亡惨重，无法再战，下午三点左右，董其武派城外部分援军进城与城内敌军会合，攻击更猛烈，并集中炮火向守军主阵地电话局猛攻，同时以一个营兵力迂回进攻电话局后方车站，晚上八点左右，城内大部分阵地失守，到13日晚上十点，实在无法再守，绥蒙军区命令撤出战斗，转移城外，进入山区。

　　13日晨，董部趁我军主力西去打援，又重新恢复了卧龙山，天门山，石灰山等阵地，并向小脑包山攻击，以策应101师东进，夹击我打援部队。

　　而与援敌101师的交战也极为不顺利，第一线部队与101师在东土坑山激烈交战，解放军大队援军奉张宗逊命令赶去增援，大队正隔着山运动，101师进攻山顶守军时，由于步兵进攻接近山顶，炮火须延伸射击，但因炮位低，距离近、山顶高，瞄准仰角必须加大，而仰角加大，炮弹即超越山顶而过。这样的越山炮弹，竟打了百多发。急得郭景云直跺脚，厉声命令炮兵，立刻修正角度，再把炮弹打过山顶，就要枪毙。

　　其实他不知道这些阴错阳差炮弹帮了他大忙，这些越过山炮弹，不偏不倚落在前山解放军的援军大部队人群中，前线指挥部又判断失误，以为这是傅作义大部队到达，有腹背受敌之危险，于是命令部队撤退，把所有战机都丢失了。与此同时，13日中午12时35军李铭鼎新32师，骑四师尾随101师前来增援，向我军阵地猛攻，实际这时解放军已决定撤退，这些部队正赶上追击。

　　这样集宁城失守，外围包围打援又失败，集宁战役失败。集宁失利，傅即派出援军向大同增援，大同亦无法再攻，杨成武纵队不得不于9月16日撤围大同。傅作义以弱势兵力攻集宁，解大同之围魏救赵战术达到目的。

　　集宁会战还有一个特殊巧合，在采访进攻集宁主将安春山儿子—安自强过程中，安老告诉我们，安春山(真名安仁)新31师是进攻集宁主力，安春山亲弟弟老四-安智(改名石基)同志当时是集宁守军主力团—晋绥军区27团团长，因为集宁未守住，战后石基同志被撤职，办学习班，检查问题。两个亲兄弟，站在不同立场上，一攻一守，拼死相搏，可说是解放战争奇观。

　　大同集宁战役历时一个半月，我军英勇顽强，连续作战给敌沉重打击，歼敌1.2万人，但由于指挥官二次关键指挥错误，使战役失败，大同未攻下，集宁又失守，张家口处于敌军两面夹击不利形势下。集宁失利，大同撤围，导致了晋察冀我军对敌斗争形势急剧恶化，并使西北野战军在战略上极为被动，使胡宗南得以无后顾之忧出兵延安，给中央造成极大麻烦，为华北关键战役。这场战役如指挥得当，是完全可以胜利的，延安电台已于9月12日发布了围歼，消灭敌于集宁城下的消息。