张家口(时称张垣)是晋察冀解放区首府，也是当时共产党领导下的最大的一个城市。9月10日，蒋介石下达了进攻张家口的命令。要求北平行辕指挥第11、第12战区主力从东西两面向张家口发动进攻。一时间，张家口上空战云密布。

由于解放军在此前的大同、集宁战役失败，晋察冀军区部队损失较大。因此，对于张家口是守是弃，晋察冀军区和中央意见分歧很大。经过激烈讨论，最终决定利用张家口地区有利地形歼灭敌人有生力量，在必要时放弃张家口。

在占领张家口的问题上，蒋介石与傅作义之间存在一定的矛盾。在华北地区，傅作义已两胜解放军，而蒋介石嫡系却无较大建树。因此，蒋介石一心想让其嫡系李文兵团先占张家口，不使其落入傅作义手之。傅作义虽对张家口亦有夺取之心，但所部在集宁会战中虽胜解放军，但自身损失也不小，让他心存忌惮，不敢贸然东进。于是傅便摆出了一个出兵的架势，却实际采取观望态度。

聂荣臻对蒋傅之间的矛盾作出分析：判断东面为敌军主攻方面，所以把兵力重点放在东面。晋察冀军区投入到东线战场的有8个旅以及大量民兵。并成立了晋察冀野战军指挥机构，以萧克为野战军司令员，罗瑞卿任政委，耿飚为参谋长。为配合张家口保卫战，晋察冀军区命令下属的冀热辽军区部队向热西和平宁路出击，命杨成武指挥野战军1个旅和地方部队5个旅发起平汉路北段战役。

9月29日，国民党李文兵团4个师在飞机和坦克掩护下，向怀来地区发起攻击。张家口保卫战正式打响。解放军第二纵队2个旅凭借野战工事，英勇抗击。战至10月3日，国民党军依旧进展不大，进攻受阻。10月4日蒋介石派参谋总长陈诚赴前线部署进攻怀来的方案。陈诚决定调李文部2个师从怀来东侧迂回解放军侧背。但国民党军的企图早已被晋察冀野战军预料到，东面解放军主力5个旅零1个团由杨得志、苏振华指挥，在马刨泉、南石岭和镇边城3次战斗中消灭迂回敌军3200余人。这样一来，李文兵团无计可施，被彻底挡在了怀来以东地区。

蒋介石见东线嫡系部队战况不利，西线傅作义又只打雷不下雨，按兵不动。情急之间，他又决定重演几个月前的利诱之计。手书一纸命令，把张家口划归傅作义的第12战区，以城相许，促使傅作义出兵。傅作义一见时机已到，有利可图，立刻积极行动起来。

中共中央军委为了解除晋察冀军区在东线作战的后顾之虑，曾命晋绥军区一部牵制傅作义军。但聪明的傅作义玩了个明修栈道、暗渡陈仓。他一面命大将鲁英麟率两个师及铁甲车、大炮从大同出动，使解放军误判其重点进攻方向;另一面调集4个师从集宁出发，向东穿过几百里草原，绕商都突袭张北，尔后从北面偷袭张家口。当时，中共晋察冀军区情报部门已破译国民党军电报密码，认为敌军行动基本在掌握中。然而，傅作义为了保密，在自己部队中另搞了一套密码，没有使用国军统一的密码。因此，中共情报部门也没能及时发现傅作义部的进攻计划。

10月8日10点，傅部先头部队新骑4师在孙兰峰指挥下抵达张北县。下午3点攻克张北城。下午4点解放军援兵4个连赶到张北城南，被傅部骑兵冲散。情况到此地步，中央军委和晋察冀军区仍然没有对傅作义东犯意图和兵力作出正确判断。军委认为傅作义东进张家口兵力至多不过万人，主力是从大同东进。而窜至张北的只是傅部一小部兵力，命令立即击灭。而晋察冀军区虽与9日上午得到内线信息，知敌情可能有变，却仍判断傅军主力尚在东进途中。决定组织晋绥军区和晋察冀军区部分部队阻击由大同、阳高东进的傅军。

此时，张家口共军只驻有1个教导旅。该旅刚参加完大同、集宁战役，在撤退途中因缺乏与骑兵作战经验，吃了大亏。正在张家口休整补充。因傅部占领了张北，该旅奉命前往张北城南25公里处的狼窝沟设防。10月10日上午，傅军新骑4师向狼窝沟发起猛攻。战至中午12时突破教导旅两道防线。傅作义部进攻之快、之猛，势头之大远出乎解放军意料。10日13时，中央军委终于查明了准确敌情并电告晋察冀军区。可惜，情报来得太晚了。

傅作义奇袭张家口的主力部队已在张北以南完成进攻准备。先头部队距张家口市区不足40公里。解放军各部均已来不及增援。10日晚6时，聂荣臻决定放弃张家口。因事出突然，晋察冀军区和边区政府机关紧急转移，各种物资连夜抢运。所幸国民党军不擅夜战，晚上一般不会发动较大进攻，且教导旅死死缠住傅部，使其前进困难，为转移赢得了宝贵的时间。10月11日，中共军队和政府人员全部撤离张家口。傅作义便夺取了张家口，第三次获大胜。