两支部队协同进行大兵团作战，无论是对晋察冀部队还是对晋绥部队来说都是第一次，如何搞好战役的协同作战，是聂荣臻和贺龙一直思考的一个问题。他们共同商定了这一次战役的具体部署：晋察冀部队从东向西进攻，首先歼灭隆盛庄、张皋的敌人，而后，各个击破丰镇、集宁间的敌人；晋绥部队由南向北进攻，消灭凉城、新堂、天成村之敌后，向集宁方向发起进攻；然后，两区部队继续协力歼敌主力于绥东地区。
10月15日，聂荣臻发布了绥远战役命令，随即率部西进。18日、19日各部队展开了进攻：冀察冀纵队取隆盛庄；冀中纵队取张皋、三水岭、官村；冀晋纵队一路向聚乐堡，一路向红砂坝、丰镇。很快攻占上述各点。与此同时，晋绥军区部队占领了凉城、新堂、陶林等地，向卓资山疾进。
在两个军区部队联合进攻下，傅作义急忙收缩，采取“一触即退”的战法，迅速向大本营归绥集中。由于傅部撤退迅速，晋察冀与晋绥作战部队未能将敌人的退路切断，聚而歼之。敌人集中重兵于坚城之内，造成攻坚上的巨大困难。
10月22日，在集宁的敌35军军部和101师成了孤军。傅作义起家的老本钱便是35军，这是当年张学良给他的番号。而35军的主力又是101师。如果把这股力量消灭掉，将是对傅作义的沉重打击。聂荣臻抓住了这个战机，当即决定以冀察、冀中两个纵队聚歼该敌，令冀察纵队立即进占集宁以西的十八台，切断敌人退路；令冀中纵队占领集宁以南的榆树湾、脑包山，从南、西南对集宁发起进攻。23日，冀中纵队占领了榆树湾、脑包山，击溃101师的1个团，并以一部兵力前出到集宁以西。敌35军军部和101师乘夜弃城西逃。24日，晋察冀军区部队占领集宁。25日，晋绥军区独立第1旅曾将集宁逃敌堵截在魁盛庄西北，但因后续部队未及时赶到，敌我兵力过于悬殊，经激战，敌人还是逃跑了。
10月25日，晋绥部队在卓资山打了一个漂亮仗，全歼敌新编第26师4000余人。聂荣臻立即发布命令，号召晋察冀军区部队向兄弟部队学习。
20日，聂荣臻的指挥所前移至隆盛庄。26日，他与晋绥野战军司令员贺龙相会。他们一起到了卓资山。两区部队会合了。27日，中央军委在给聂、贺的电报中强调：“此次作战，必须达成歼灭傅顽主力之目的，应将我主力运动到傅顽阵地背后去，由西向东打，方可聚歼。”据此，聂荣臻与贺龙、李井泉一起确定了下一步的作战部署：针对敌人约6个师撤进归绥，决定先肃清外围，合围归绥，再行攻城；另派一部分兵力趋向包头，切断傅部西逃之路，孤立归绥。
10月底，两区部队完成了对归绥的合围。11月中旬，晋绥2个旅、冀察纵队1个旅开始攻打包头。聂荣臻在陶卜齐设立了指挥所，指挥攻城作战。归绥守敌6个师2.4万多人，粮弹储备充足，决心固守。而聂荣臻所部全属初建，没有大兵团作战和攻坚的经验，又缺乏大炮，屯兵坚城之下，陷于僵持局面。不久，又从西线报来战况：攻击包头受挫，宁夏马鸿逵的一个骑兵师前出到临河，逼近包头。在这种情况下，11月13日他从陶卜齐绕到归绥城西与贺龙、李井泉会晤，再次商议下一步的决策。
聂荣臻和贺龙感到：我军兵力在归绥、包头虽略占优势，但劳师远征，供应困难，难为久计，且两区再要增兵都有很大困难，严冬即至，带来了更多不便，能拿下包头再回师归绥当然最好，否则不宜久滞坚城之下。他们决定由贺龙、李井泉率晋绥部队西进增援包头，晋察冀部队继续围困归绥。以上部署向中央军委作了报告。中央军委11月16日回电，令聂荣臻率晋察冀部队与晋绥部队一同西进，在归绥只留少数部队控制要点，作弹性围困。如果包头不能迅速攻占，晋绥部队西进消灭马鸿逵援兵，夺取五原、临河、陕坝；晋察冀部队主力控制包头至归绥中间地区，隔断归绥、包头敌人的联系，相机攻取包头，引敌出来，求得野战；晋绥部队完成任务后，留一部分部队控制五原、临河、陕坝，主力回师东进，与晋察冀部队再攻归绥。
这是一个倾全力取包头而置归绥于不顾的方案。聂荣臻对这一方案的能否成功颇为担心，于11月17日实事求是地向中央军委提出如下建议：
第一，如果晋察冀部队主力西进，围城部队即转为劣势，而敌人必然乘机反击。“因傅顽以主力固守绥城，并非单纯防守，而系取积极防御，连续主动的出击，企图寻求机会对我各个击破……如我围城部队转为劣势，敌必集中力量向我反击，则全部战局有恶化的危险。”
第二，如以全部主力西进，去夺取五原、临河、陕坝，这样，就分为归绥、包头、河套三个战场，相距800余里，势必兵力分散，三处力量皆弱，难以相互策应。
第三，绥远地区并非根据地，没有巩固的后方补给线，粮食、弹药无法迅速前运，伤员后送也是个大问题。
因此，他主张先打几仗再看情况，必要时结束绥远战役。中央军委11月22日复电，仍主张聂部主力西进，集中力量攻取包头。但又指出，“我们对于前方情况不了解”，希聂、贺根据前方实际情况处置。此后，直到12月上旬，晋察冀、晋绥部队在归绥、包头都曾采取围城打援的办法，击退了归绥出击的骑兵第4师；包头方向击退了马鸿逵部骑兵第10师的增援，但歼敌不多。此时严冬已至，部队困难日多。于是，经中央军委同意后，聂荣臻于12月13日下达了结束绥远战役的命令。