林西的日軍只剩下不到三千人防守，而且沒想到抗五軍會來襲擊。
抗五軍一個師在當地游擊的一個團配合下，在七月十六日凌晨發起了進攻。他們先用偵察兵幹掉了敵人的哨兵，然後已經潛行到很近的大部隊開始進攻。這本來是抗五軍常用的偷襲戰，不過由於使用的次數太多了，日軍已經對這種偷襲戰很警惕，有了一套應對辦法，他們除了明哨，還放有不少機動的喑哨。抗五軍大部隊剛一行動，就被日軍的暗哨發現了，開槍射擊，偷襲就變成了強攻。不過這次進入熱河的部隊，裝備的八十毫米火箭炮比以前的多，由於對赤峰的攻擊只是佯攻，這些炮沒有用，現在對林西的強攻，就發揮了作用。
敵人守林西的人數少，城南的第一道防線又在我軍突然攻擊下丟失，我軍火力又強；日軍頂不住我軍的攻擊，到中午，只有不到兩千敵人從城市的北面逃走，林西市又一次光復。這林西可是在多倫的東北方二百多公里處，是多倫敵軍的後方。
七月十七日，敵人有一個大隊護送的運輸隊在多倫東面五十公里處被抗五軍襲擊。這不是剛攻下林西的部隊干的，而是從赤峰撤出戰鬥的另一個師干的。打了林西的那個師，也在往多倫方向行軍，只不過還沒這麼快到。
我軍的情報早就發現了這支從遼寧經朝陽北上的運輸隊，抗五軍指揮部發現只要地方游擊隊加強對這支隊伍的阻擊，是可以讓從赤峰撤出戰鬥的部隊趕在他們前面到達多倫的。於是，一道命令下去，沿途的抗日武裝就加強了對這支隊伍的襲擊。從此這支日軍運輸隊苦不堪言，簡直是步步艱難，前面有破壞路的、阻擊的，後面有追打的，晚上有騷擾的，行進速度比烏龜還慢。
而多倫和熱河司令部催促的電報不斷地來，說前方急需這批彈藥，把這個大隊長罵得狗血淋頭。直到抗五軍的那個師已經趕到他們前面，做好了伏擊陣地，才傳令給阻擊他們的游擊隊，說讓這運輸隊過吧，這才讓他們輕鬆一點。他們最後一段旅程相當順利，只是趕路。而這支運輸隊還以為是他們快到多倫了，游擊隊怕多倫的大部隊來接應，才放棄了騷擾的。實際上，多倫的部隊確實已經決定要派部隊去接應他們了，聽到他們說騷擾的土匪已經被他們消滅或擊潰，沒游擊隊再敢襲擊他們時，才讓準備支援的一個大隊停止行動。
其實，伏擊他們的是抗五軍一萬人，如果熱河的那個大隊趕去支援了，這個伏擊戰照樣打，戰果還要大一點，最多打的時間要長一點、犧牲要大一點。
現在，這支疲憊不堪、匆匆趕路的部隊，覺得目的地就在眼前，放鬆了警惕，一頭扎進我軍精心佈置的伏擊圈。
這次伏擊戰堪稱精典，伏擊工事距離公路只有不到二百米，伏擊戰一打響，戰鬥就是一邊倒。毫無防備的日軍在這麼多的側把子槍自動火力前面紛紛倒地，這第一波射擊只進行了一分鐘，我軍有的陣地上就吹響了衝鋒的哨聲。
日軍因為運輸隊經常被襲擊，已經下了命令，如果看到沒法抗擊我軍的襲擊，就必須把物資焚燬，然後撤退，避免物資落入我軍手中。可這支運輸大隊，在這樣的打擊下，連這個命令都來不及執行，就處在與我軍短兵相接中了。整個戰鬥只進行了二十分鐘，包括最後幾個鬼子用手榴彈自殺並且毀壞一點身邊的物資，也有三十多鬼子選擇了投降。由於襲擊得突然，這支日軍連報喪的電報都來不及發。
而從這個運輸隊繳獲的文件看，進攻多倫的敵人一直在催促這些彈藥，說明敵人迫切需要這批彈藥。但由於沿途游擊人的不斷騷擾和阻擊，讓這支運輸隊一拖再拖。日軍司令部說如果他們在十七日之前還到不了的話，要把這大隊長要不自裁，要不上軍事法庭！現在他們再也到不了，這個大隊長在伏擊戰開戰後十幾分鐘，看到他們沒有任何希望了，就高舉指揮刀，怪叫著向我戰士的鬆口衝過來，屬於變相自殺就是。這樣對他不是什麼壞事，至少不用上軍事法庭了。
這之前，抗五軍與多倫的抗日同盟軍、抗四軍聯繫，他們說多倫的防守，再堅持七、八天是沒什麼問題的。實際上不用說七、八天，假如多倫的守軍能再多守一、二天，日軍就要腹背受敵了。
可惜就在七月十七日，日軍就對多倫發起了一次攻擊，攻佔了多倫。這並不是他們步兵的功勞，而是日軍特務的功勞。特務找到了孫殿英、劉桂堂、李壽山等人進行收買。劉桂堂等一些原來的偽軍，看到這幾天多倫的戰鬥打得不順利，馬上又投向了日軍。曾經在熱河抗戰時抵抗過日軍的孫殿英也竟然收了日軍的錢，私自把部隊撤出了他們的防區。日軍利用這些陣地，打開缺口。抗四軍等其它抗日武裝頓時受到來自後背的威脅，只好放棄陣地。由於部隊指揮也不統一，更談不上配合什麼的，撤離很快演變成潰散。日軍是打這種順風仗的好手，根本不用上面的命令，就跟在這些部隊的後面追打。抗日同盟軍往什麼方面走的都有，後面的日軍也失去大的建制，分散亂追，結果演變成一場混亂的追逃戰，抗日同盟軍和抗四軍的損失都相當大。
第二天清晨，抗五軍到達多倫時，日軍還有很多部隊在多倫邊上追打抗日同盟軍。這些分散的日軍對付抗日武裝的散兵，打得挺猛，可碰上抗五軍大部隊就算倒霉了。抗五軍反過來，又追著這些日軍部隊打。日軍還沒怎麼佈置市區的防守，抗五軍隨著這些日軍小部隊，從東向西一直追進了多倫市。在市區裡，日軍部隊也多了，抵抗也強了。不過抗五軍中有些連長、營長，都在上海受過城市占的培訓，另外抗五軍還有一個無線通訊利便的優點，很快就攻入城中，佔領了東邊的半個城市。不過這時，日軍也不斷招回了一些散在城外的部隊，在城西與抗五軍對峙。如果讓抗五軍佔領了多倫，並從屁股後追打這些分散的日軍部隊，日軍麻煩就大了。