12月3日，日伪军集中4000余人反攻百灵庙被守军击溃，毙伤日伪军500余人，俘敌200余人，并击毙其副司令雷中田。日伪军两次战役失败后，王英部大部分官兵深感跟着匪首王英投靠日本帝国主义当汉奸，出卖国家民族，遭到国人的唾弃，毫无出路，故多数都想脱离日伪，回返祖国怀抱，并与我方秘密联系，接洽投诚。金宪章、石玉山两旅，乘中国军队击退日伪反攻之机，于12月8、9两日，先将在该部的日军指导官小滨大校等30余人全部处死，将伪蒙骑兵第七师穆克登宝残部悉数解决，并将该部的枪械、弹药以及一切军用品全部缴获，全部开往指定地点集结，于10日正式通电反正。这两个旅共有步、骑兵10个团，反正后即开往绥北乌兰花一带，整顿改编。
这时，傅作义决意乘胜收复大庙，彻底肃清大青山以北日伪军一部，因而令骑兵旅经乌兰花向大庙逼近。12月9日，金宪章、石玉山两部反正后，傅作义即下令围攻大庙，残余日伪军部队如惊弓之鸟，稍一接触，即向草地溃退。中国军队除派骑兵一部跟踪追击外，于当日上午10时，收复了日伪进犯百灵庙的根据地大庙。至此，百灵庙战役全部结束。
12月17日，匪首王英部所属安华亭、王子修两旅长也率部反正，开至兴和县榆树乡一带集结待命。
收复百灵庙的消息传到全国各地，各报纸纷纷刊发号外，人心振奋，万众欢腾，各地人民发起了援绥抗日运动。国内外向绥远前线抗日将士祝贺与慰问的电信，如雪片飞来。北平、上海、天津、西安、武汉等大城市的人民团体代表，携带慰问品和捐款，到前方慰劳军队。
