三十二师、新编骑兵第四师蜂拥而至，与第一○一师会合，并迅速发起反围攻作战。至此，傅作义部已有6个师的兵力会集于集宁城郊，晋察冀、晋绥军区部队经过几昼夜鏖战，特别是一整夜的往返调动，既疲劳又饥饿。在集宁附近歼灭傅部援军的计划，已不可能实现，如继续恋战，处境将更加不利。在这种情况下，部队被迫于当晚放弃集宁，撤出战斗，向东北方向转移。
集宁一战失利后，傅作义部主力继续向大同逼近，企图与大同守军配合，对围城部队实施夹击。形势对执行既定的攻城计划十分不利，大同不宜再围。9月16日，为寻求新的战机，晋察冀军区决定撤围大同，杨成武等部开往老根据地易县集结。大同集宁战役遂告结束。
集宁一战，傅作义出尽了风头。9月20日，他得意忘形，在绥远《奋斗日报》上发表了一封《致毛**的公开电》，百般揶揄中共方面：
然你们相信武力万能，调集了十七个旅，五十一个团之众，企图在集宁歼灭国军，城郊野战和惨烈巷战，继续达四昼夜，最后你们终于溃败了。
当你们溃退的前一天，延安广播且已宣布本战区国军被你们完全包围，完全击溃，完全歼灭，但次日的事实，立刻给了一个无情的证明，证明被包围被击溃被歼灭的不是国军，而是你们自夸所谓参加二万五千里长征的贺龙所部、聂荣臻所部，以及张宗逊、陈正湘、姚喆等的全部主力。
朱德特将此电分发全体将士，“请将不如激将”。
大同集宁战役历时一个半月，晋察冀、晋绥军区部队密切协同，并肩作战，歼灭敌1个师大部、3个师各一部等，共1.2万余人，给国民党军以沉重打击。但战役未能达到攻城、打援的预期目的，尤其是未能歼灭傅作义部主力于集宁城下，使张家口乃至整个解放区面临更为不利的局势。
聂荣臻主动承担了责任，认为自己“有考虑不当之处”，同时认为前线指挥存在失误：
从实践的结果来看，发起大同战役，有考虑不当之处。因为大同敌人的兵力虽不雄厚，而城防设施是颇为坚固的。当时，我军既没有重武器配备，又缺乏攻坚战经验，哪里有把握攻下大同？在当时装备很差的条件下，只能先打弱的，后打强的。如果一开始我们就在攻城的同时，把重点放在打援上，集中优势兵力，争取在运动中歼灭前来救援大同的敌人，那后果就会大不相同了。……再加上后来集宁方面战场指挥的错误，就导致了这次战役的失利。
作为战役的具体组织者
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