林西的日军只剩下不到三千人防守，而且没想到抗五军会来袭击。
抗五军一个师在当地游击的一个团配合下，在七月十六日凌晨发起了进攻。他们先用侦察兵干掉了敌人的哨兵，然后已经潜行到很近的大部队开始进攻。这本来是抗五军常用的偷袭战，不过由于使用的次数太多了，日军已经对这种偷袭战很警惕，有了一套应对办法，他们除了明哨，还放有不少机动的喑哨。抗五军大部队刚一行动，就被日军的暗哨发现了，开枪射击，偷袭就变成了强攻。不过这次进入热河的部队，装备的八十毫米火箭炮比以前的多，由于对赤峰的攻击只是佯攻，这些炮没有用，现在对林西的强攻，就发挥了作用。
敌人守林西的人数少，城南的第一道防线又在我军突然攻击下丢失，我军火力又强；日军顶不住我军的攻击，到中午，只有不到两千敌人从城市的北面逃走，林西市又一次光复。这林西可是在多伦的东北方二百多公里处，是多伦敌军的后方。
七月十七日，敌人有一个大队护送的运输队在多伦东面五十公里处被抗五军袭击。这不是刚攻下林西的部队干的，而是从赤峰撤出战斗的另一个师干的。打了林西的那个师，也在往多伦方向行军，只不过还没这么快到。
我军的情报早就发现了这支从辽宁经朝阳北上的运输队，抗五军指挥部发现只要地方游击队加强对这支队伍的阻击，是可以让从赤峰撤出战斗的部队赶在他们前面到达多伦的。于是，一道命令下去，沿途的抗日武装就加强了对这支队伍的袭击。从此这支日军运输队苦不堪言，简直是步步艰难，前面有破坏路的、阻击的，后面有追打的，晚上有骚扰的，行进速度比乌龟还慢。
而多伦和热河司令部催促的电报不断地来，说前方急需这批弹药，把这个大队长骂得狗血淋头。直到抗五军的那个师已经赶到他们前面，做好了伏击阵地，才传令给阻击他们的游击队，说让这运输队过吧，这才让他们轻松一点。他们最后一段旅程相当顺利，只是赶路。而这支运输队还以为是他们快到多伦了，游击队怕多伦的大部队来接应，才放弃了骚扰的。实际上，多伦的部队确实已经决定要派部队去接应他们了，听到他们说骚扰的土匪已经被他们消灭或击溃，没游击队再敢袭击他们时，才让准备支援的一个大队停止行动。
其实，伏击他们的是抗五军一万人，如果热河的那个大队赶去支援了，这个伏击战照样打，战果还要大一点，最多打的时间要长一点、牺牲要大一点。
现在，这支疲惫不堪、匆匆赶路的部队，觉得目的地就在眼前，放松了警惕，一头扎进我军精心布置的伏击圈。
这次伏击战堪称精典，伏击工事距离公路只有不到二百米，伏击战一打响，战斗就是一边倒。毫无防备的日军在这么多的侧把子枪自动火力前面纷纷倒地，这第一波射击只进行了一分钟，我军有的阵地上就吹响了冲锋的哨声。
日军因为运输队经常被袭击，已经下了命令，如果看到没法抗击我军的袭击，就必须把物资焚毁，然后撤退，避免物资落入我军手中。可这支运输大队，在这样的打击下，连这个命令都来不及执行，就处在与我军短兵相接中了。整个战斗只进行了二十分钟，包括最后几个鬼子用手榴弹自杀并且毁坏一点身边的物资，也有三十多鬼子选择了投降。由于袭击得突然，这支日军连报丧的电报都来不及发。
而从这个运输队缴获的文件看，进攻多伦的敌人一直在催促这些弹药，说明敌人迫切需要这批弹药。但由于沿途游击人的不断骚扰和阻击，让这支运输队一拖再拖。日军司令部说如果他们在十七日之前还到不了的话，要把这大队长要不自裁，要不上军事法庭！现在他们再也到不了，这个大队长在伏击战开战后十几分钟，看到他们没有任何希望了，就高举指挥刀，怪叫着向我战士的松口冲过来，属于变相自杀就是。这样对他不是什么坏事，至少不用上军事法庭了。
这之前，抗五军与多伦的抗日同盟军、抗四军联系，他们说多伦的防守，再坚持七、八天是没什么问题的。实际上不用说七、八天，假如多伦的守军能再多守一、二天，日军就要腹背受敌了。
可惜就在七月十七日，日军就对多伦发起了一次攻击，攻占了多伦。这并不是他们步兵的功劳，而是日军特务的功劳。特务找到了孙殿英、刘桂堂、李寿山等人进行收买。刘桂堂等一些原来的伪军，看到这几天多伦的战斗打得不顺利，马上又投向了日军。曾经在热河抗战时抵抗过日军的孙殿英也竟然收了日军的钱，私自把部队撤出了他们的防区。日军利用这些阵地，打开缺口。抗四军等其它抗日武装顿时受到来自后背的威胁，只好放弃阵地。由于部队指挥也不统一，更谈不上配合什么的，撤离很快演变成溃散。日军是打这种顺风仗的好手，根本不用上面的命令，就跟在这些部队的后面追打。抗日同盟军往什么方面走的都有，后面的日军也失去大的建制，分散乱追，结果演变成一场混乱的追逃战，抗日同盟军和抗四军的损失都相当大。
第二天清晨，抗五军到达多伦时，日军还有很多部队在多伦边上追打抗日同盟军。这些分散的日军对付抗日武装的散兵，打得挺猛，可碰上抗五军大部队就算倒霉了。抗五军反过来，又追着这些日军部队打。日军还没怎么布置市区的防守，抗五军随着这些日军小部队，从东向西一直追进了多伦市。在市区里，日军部队也多了，抵抗也强了。不过抗五军中有些连长、营长，都在上海受过城市占的培训，另外抗五军还有一个无线通讯利便的优点，很快就攻入城中，占领了东边的半个城市。不过这时，日军也不断招回了一些散在城外的部队，在城西与抗五军对峙。如果让抗五军占领了多伦，并从屁股后追打这些分散的日军部队，日军麻烦就大了。