“对别人凶残，对自己人也如此凶残！”
最终，红军只在这个伤兵营里俘虏了不到三十多名日军伤员。
见大局已定，为了减少伤亡，林虎三倒也不急着进攻谷寿夫的残部，命令苦战一夜的红军各部停下休整。从昨天战到现在，他部队不但十分疲倦，编制上也非常地混乱。围住谷寿夫后，各部队主力趁机停下重整，同时等着后方将大炮和给养运过来。
开战前林虎三手上拥有十二辆坦克，三十辆装甲车。打到现在，能开动的坦克只余下三辆，其余的要么受伤，要么出了机械故障需要修理，或者用光了燃油等着后勤送上。至于装甲车，在昨晚乱战中也被日军击毁了五辆，余下的也多有损伤，而且现在日军都在山上，勉强开来也用处不大了。
“铁甲车”确实是纵横四方的“战场之王”，但是如何侍侯好他们，也是很让人头痛的事。蒙古草原虽然适合坦克作战，但是没有修整过的道路，坦克拖车在很多地方都开不过去。
装甲团团长陈光跟着他的宝贝t26坦克来到林虎三指挥中心时，林虎三正在和太原方向通电报，电报的内容，无非是询问总部，是要直接全歼谷寿夫部，还是在这里围点打援挖个大坑。
而包围了谷寿夫的红军，这时则在原地挖崛战壕――不光是要防止鬼子反扑突围，也防备热河方向的日本飞机过来轰炸。
而在百灵庙机场这儿，这时也有一支红军部队正在紧急修理昨天大战被破坏的机场。这个时期的飞机对跑道要求很低，上千人同时工作，很快就修好了大段的跑道。而先前缴获的日军汽油桶，也被推到了跑道边上――这里离谷寿夫被包围的地点只有几十里地，是最好的前线野战机场。
到了中午的时候，又一支援军赶到，正是傅作义派出来的援军，211旅与大青山独立师组成的联合部队。
211旅的旅长孙兰峰和林虎三在巴彦旧尔交过手，很倒霉的一战全旅被俘。不过当时红军要争取傅作义部，在李主席在了解到211旅从长官到士兵，都是不扰民、官兵一体，非常象红军之后，更是亲下指示一定要善待这些俘虏。有病治病有伤治伤，同时要努力地争取和交好。
在作为俘虏的那段时间，孙兰峰反而和林虎三成了朋友。除了枪被收走外，双方士兵关系反而十分地容洽。长官在交流军事心得，互相学习，下面的士兵也差不多。红军官兵吃什么，211旅的官兵也吃什么。
卫立煌部在山西战役后，其在俘虏营里所遭遇的一切，孙兰峰却比其还早享受到。等到了七月，红军与傅作义达成包头换张家口协议，两家化敌为友后，211旅全部官兵都被放回。
释放的时候，林虎三依上级指示，将缴获的武器如数奉还，双方将领还互相赠送了各自的配枪，彼此间已有相见恨晚之意。
当时，聂政委告诉孙兰峰：“贵军我是军见过的纪律最好的国民党军队。你们的部队，其实离转变成人民的军队，只差最后一步了......”
孙兰峰归建后，傅作义问明情况后，一个人在屋里坐了很久。事后他倒也没有“为难”明显“立场不稳”的部下，仍然让他官复原职。这个时期的傅作部，他的部队也在飞快地扩张中，山西战役结束后，阎老西被炸死，傅作义接收了大量的晋绥军旧部旧友投靠，充当军官填充自己的新军，比如著名的陈长捷，他就是在战役中被俘而后被释放，然后投靠了傅作义。老傅手上当过红军俘虏的原绥军军官多得很呢。红军的那一套，他是又羡慕又知道厉害，一直都在有意无意地向红军学习。
后来的日子里，随着河北和平津局势力日渐紧张，傅作义这边也是拼命地练兵和囤积武器弹药。而后他虽然“被迫”加入红军组建的北方抗日联盟，但是作为“盟主”的红军，根据协议，该给的武器补给一点都没有少，光是从苏联进口的反坦克枪就接收到了上百把。
傅作义虽然是个军阀，心里也有些个人的小九九想法，但这个人有气节、有义气、民族大义却是从不含糊。得知百灵庙战事起，不等红军要求，立刻就在第一时间发兵，而且是派出和林虎三关系最好的孙兰峰领军。
随着晋绥军援军的加入，谷寿夫残部的最后一点逃生希望也彻底破灭。
谷寿夫部最终坚持到了十月八日下午，方才全军覆没。围歼其部的过程，最大的波折，就是这两天，不甘的日军从热河方向，派出多波次飞机进行轰炸和空投补给物资。
可是这个时候红军已经在更近的百灵庙建立前线机场。来援轰炸机在没有护航机的掩护，完全就是纯粹的送人头，两天的空中支援的后果，反而是让参战的苏联空军这儿在中国诞生了第一位王牌飞行员（击落五架）。而且由于战斗机的干扰，空投的物资也大多落入红军的阵地上。而日军付出的代价，却是又送了近四十架飞机的“人头”。
而后，损失惨重关东军大本营，说什么也不肯再派飞机过来了。
而大炮运到，部队修整完毕后，红军和晋绥军的联军开始猛攻山上的日军。爱尔五轰炸扔下的汽油弹把整座山的植被都点燃了，而乏补给，疲倦不堪的谷寿夫残部，在红、晋联军发动总攻十八小时后全军覆没，谷寿夫、柳川平助连同部下全员“玉碎”。
柳川平助是在绝望中开枪自尽。至于谷寿夫则死得比较惨，他在山上的临时指挥中心被一发汽油弹击中，而活活地被烧死。红军事后是通过其焦尸附近发现的将官刀，才确认了他的身份。
为了纪念这场战役，击毙二人的无名山后来被改名为落日山。
石原莞尔策划的百灵庙战争，战役结束时，却只有数十骑兵，在战后两星期内，陆陆续续地通过各种渠道逃回热河。
整场战役，包括飞行员和前期潜伏特务在内，参战日军人数高达七千人，事后检点战果时，战死的日军人数达到六千五百人，而被俘人员，仅有四百三十五人，而这四百多人人几乎人人带伤，除此之外还有十六名被击落飞机上的飞行员当了俘虏。
日本陆军战俘，被俘后也大都不老实，甚至反抗袭击红军战士，其间又被击毙了数人，此外因为绝食和自杀，或伤重而亡，又死掉多人。最后算上飞行员战俘，减少只余395人。
十月九日，一架从百灵庙起飞的飞机在北平降落，带来了战地记者前线拍摄的照片，以及缴获的日本军刀等证物，而后驻北平的红军代表伍豪，召开记者招待会，宣布了这一重大消息。