1946年7月，我晋察冀和晋绥军区根据中央军委的命令，为保证夺取“三路四城”，在计划“晋北战役”时，便准备采取攻城阻援的方式对发起对大同的攻击。但万万没想到，解放军以四倍于敌人的优势兵力进攻大同，不仅最后没有拿下大同战役的胜利，反而让晋察冀边区的首府张家口处于敌人东西夹击的危险之中，故而后来的罗瑞卿大将才会说：“大同战役，实际上是一场败仗！”
战前部署
由于大同是平绥和同蒲铁路的交会点，所以历来是兵家必争之地，而阎锡山则将它作为“巩固华北，屏障绥宁，呼应热察，支撑太原”的重要基地，经过阎锡山多年经营，大同工事复杂坚固，形成较为完善的防御体系。
更难能可贵的是，大同城易守难攻，既利于主动进攻，也利于就地守城，所以阎锡山才会派其得力干将43军副军长楚溪春（亮剑中楚云飞的原型）率暂编38师、东北挺近军骑兵第五、六师以及保安大队等1.9万人固守大同。
1946年7月初，解放军发起“晋北战役”后，楚溪春率守军积极加修工事，空运了大批粮食物资到城内，准备长期固守。为表达为大同的重视，7月中旬李宗仁与阎锡山亲自飞到大同，进一步作了坚守部署。
7月初，中央军委就晋察冀和晋绥军区攻大同一役特别强调，要求务必精心计划，充分准备，进攻大同时，随时注意国民党军12战区司令长官傅作义的增援。
8月2日，“晋北战役”结束前夕，晋察冀军区司令员聂帅在阳高县主持了作战会议，对大同敌情作了仔细的分析研究，认为大同已成孤城，补给困难，守军建制不一，内部关系复杂，再加上伪军和地方保安团的参与防守，作战能力必定不强，守城信心也肯定不足，因此攻下大同是完全有可能的。
于是会议决定成立“大同前线指挥部”，由晋绥军副司令员张宗逊任司令员，罗瑞卿任政治委员，杨成武任副司令员，统一指挥30（后来追加至50个团）个团的兵力，担负夺取大同的任务，具体部署为：
晋察冀军区三纵7、8旅，四纵10旅，教导旅2个团，炮兵团，冀晋军区一军分区2个独立团，晋绥军区358旅，雁门军区五军分区一个团组成攻城集团，担负攻城任务。剩下人员组成阻援集团，负责阻击傅作义增援队伍。
“大同战役”就此展开。
作战过程
其实早在7月底，大同外围的战斗已经展开，第8旅切断了大同、怀仁的铁路，怀仁38师3团被歼千余人。借此良机，教导旅也于4、5日在大同外围歼灭国民党军队2000余人，敌军纷纷逃入大同内城，以坚守待援。楚溪春虽然是阎锡山的得力干将，但他看到如此情景，知道大同破城是迟早的事，于是连连向阎锡山和蒋介石求援。
8月14日，作战部队再也不是零星地进行战斗，而是借助数倍于敌人的优势兵力对大同城郊和四门发起了总攻。鉴于一举攻克大同的想法不太现实，前线指挥部决定采取稳步压缩、稳扎稳打的打法，攻占一点巩固一点。
截止9月1日，我军攻占了西关车站、飞机场等战略要地，至此大同外围的敌人已经完全肃清，各部进逼城下，开始坑道作业，准备攻城。
正当到了关键时刻，楚溪春的求援得到了回应。蒋介石为了促使傅作义增援大同，在解放军围攻大同后不久，于8月10日将原来属于第二战区的大同划归到第十二战区，也就是傅作义的名下管辖。而傅作义管辖绥远、察哈尔等地，一来没有坚城可守，二来没有大同这样的能源基地来发展壮大，对于蒋介石的划拨欣喜若狂。
于是傅作义一边以“和平解决”为名派代表与解放军谈判；一边调集35军101师、31师、32师等五个师四个纵队的3万余人的兵力，以平绥路在中心，向集宁进攻。蒋介石与阎锡山斥其见死不救，傅作义发电一封详细解释了战略意图，称自己以劣势兵力增援大同得不偿失，不如攻解放军之必救，这就是“围魏救赵”之策。
傅作义此举的确引起了大同前线指挥部的重视，如果让傅作义占领集宁，晋察冀首府张家口便危在旦夕。根据上述敌情变化，前线指挥部决定首先消灭傅作义援军，然后再转移兵力攻取大同，于是张宗逊、罗瑞卿指挥358旅北上。
9月5日，傅作义三路援军全线出动，中路主力向卓资山独立1旅发起猛烈进攻，原定计划最少守三天的独立1旅仅仅不到八小时就因伤亡巨大被迫撤出卓资山。但是此时前线指挥部仍然没有弄清傅作义的战略意图，认为傅作义军可能沿着平绥路东进集宁，或者经凉城进攻丰镇，以解大同之围。
9月7日，傅作义增援军主力新编31师、暂编11、17师绕道火石坝秘密东进，于8日集结在集宁西北地区。10日，傅作义军向集宁城西北两面阵地发起猛烈进攻，先后攻占卧龙山、天门山等西门外阵地，防守部队尽管极力抵抗，给敌人以尽可能的杀伤，但仍扛不住拥有先进武器的傅作义军，被迫撤退到第二线阵地。
10日晚，解放军打援部队赶到集宁前线，从四面包围了傅作义军的三个师，随即对其发起猛攻。到12日晨，新编31师西退道路被截断，暂编11、17师被重创，共歼敌5000余人。正在关键时刻，敌军101师强势来援，对我打援部队主力实行了反包围。
这时集宁城面临的情况是：傅作义的三个师压着城内的守军打，我打援部队主力压着敌军的三个师打，而101师、新编32师、骑兵第4师在后面对我打援部队主力发起攻击。
此时指挥部决定转兵攻歼来援的101师和骑兵第4师，我军各部因临时改变部署，地形、道路、敌情皆不熟悉，未能统一协调行动，结果对101师的几番攻击均未奏效，而城内的守军也未能抵挡敌军三个师的进攻。这样一来，集宁失守在即，而外围打援失败，鉴于情况再战不利，遂于13日撤出集宁，集宁战役宣告失败。
由于集宁被敌军所占，傅作义部随时随地可以向围困大同的杨成武部发起进攻，经过请示中央军委后，于16日撤围大同，整个“大同集宁战役”结束。
失利原因
大同集宁战役，对于晋察冀边区和晋绥军区的部队来说，是一次初战性质的战役，虽然结果没有令人满意，但解放军得到了攻坚作战和大兵团协同作战的锻炼，取得了一定的宝贵经验，但是我们也要看到其中的不足之处。
- 首先，将夺取“三路四城”任务的突破口选在大同攻坚，有考虑不妥之处。
毕竟我军最为擅长的是运动战，在缺乏重型攻城武器的前提下，对大同这样易守难攻的坚城而言，其实是没有充分把握的。
- 其次，对傅作义与楚溪春的作战能力，缺乏足够的认识。
楚溪春能在四倍于自己的部队围困下，坚守大同一个半月，足可见其军事能力之强。另外主要错误估计了傅作义对大同的救援强度，原本认为傅作义出动四个师已是极限，哪知傅作义直接将其八个师的主力部队派出，结果不得不把攻城阻援改为攻城打援，两方面皆受到限制。
- 再次，从战役指挥上说，我军没有集中优势兵力，分割歼敌于外围，而是逐次增兵，正面平推，以致进展缓慢，导致丧失歼敌良机，这也属于战术决策失误。
在集宁作战时，当一举可歼敌三个师的时候，因敌101师与骑兵师来援，我军仓促改变原定计划，错过了大量歼灭敌人有生力量的战机。就连傅作义后来都承认“最后能够得到胜利，我认为是一个侥幸……他们犯了一个错误，那就是12日晚上没有去攻击新编31师”，这从侧面也说明了当时战役指挥上的确存在失误。
- 最后，不可否认的是武器装备、侦查通讯、后勤保障皆不能适应大兵团的作战要求。
毫无疑问，敌军天上有飞机侦查，地面有坦克大炮的炮火支援，灵活机动的骑兵师竟达三个之多。就拿侦查通讯来说，我军落后于傅作义军甚多，以至于三个师的部队秘密集结在集宁一日，我军居然毫无察觉。再如攻击来援的101师时，临时改变部署通知不到位，敌情也不熟悉，导致打援部队未能统一行动，导致最后打援失败。
结语
“大同集宁战役”最终未能达成攻城、打援的预期目的，直接导致傅作义打通了东进通道，对晋察冀边区首府张家口形成直接威胁，再加上平津国民党军的向西进攻，张家口受到敌军东西合围的危险境地。事实上此战失利的影响远不止此，大同战役过后，在没有华北解放区军事的牵制下，国民党军才会接连对山东、陕西发起重点进攻，以至于党中央一度撤离延安，所以说此战影响深远，远非一般战役比拟。