正在擒狼，又來惡虎，形勢著實吃緊！這時，前線指揮員最容易出現決策指揮上的失誤，而失誤真的出現了。前線指揮部遂決定，暫時停止對集寧城下之董其武部的攻擊，留下第十一旅和城內防守部隊對其實施包圍、監視，調轉主力立即西出，向大腦包山前進，殲滅傅部第101師。由于受命西出的部隊，是在部署臨時改變、情況不甚明了的情況下，倉促展開作戰行動的，盡管第三五八旅和獨立第一旅攻占了大腦包山第101師的一部分陣地，第一縱隊的1個團也適時投入戰斗，與第101師展開激戰，但終因決策指揮上的失誤，不僅未能達成殲滅援軍第101師的計劃，而且還錯過了聚殲集寧城下董其武部的大好機會。
聶榮臻也對失去戰機表示惋惜：這時，本應先殲滅即將被殲之敵，然后再打敵人的援兵，但不意我軍前線指揮部決定，掉轉主力部隊立即西進，要求先殲滅趕來增援的101師。這個決定顯然是極為錯誤的。當時，各部隊接到這個命令后，都不愿放棄即將被殲滅的敵人，但最后還是執行了前線指揮部的命令。可是，部隊只知道向大腦包山前進，去打101師，至于敵人的位置、我軍的行軍路線、作戰的具體部署、部隊的互相協同、戰場的通信聯絡等都不清楚。這樣指揮作戰，怎么能夠打好？結果不但打援計劃沒有實現，聚殲集寧城下殘敵的戰機也失去了。
13日晨，董部趁我軍主力西去打援，又重新恢復了臥龍山，天門山，石灰山等陣地，并向小腦包山攻擊，以策應101師東進，夾擊我打援部隊。
而與援敵101師的交戰也極為不順利，第一線部隊與101師在東土坑山激烈交戰，解放軍大隊援軍奉張宗遜命令趕去增援，大隊正隔著山運動，101師進攻山頂守軍時，由于步兵進攻接近山頂，炮火須延伸射擊，但因炮位低，距離近、山頂高，瞄準仰角必須加大，而仰角加大，炮彈即超越山頂而過。這樣的越山炮彈，竟打了百多發。急得郭景云直跺腳，厲聲命令炮兵，立刻修正角度，再把炮彈打過山頂，就要槍斃。
其實他不知道這些陰錯陽差炮彈幫了他大忙，這些越過山炮彈，不偏不倚落在前山解放軍的援軍大部隊人群中，前線指揮部又判斷失誤，以為這是傅作義大部隊到達，有腹背受敵之危險，于是命令部隊撤退，把所有戰機都丟失了。與此同時，13日中午12時35軍李銘鼎新32師，騎四師尾隨101師前來增援，向我軍陣地猛攻，實際這時解放軍已決定撤退，這些部隊正趕上追擊。
下午，傅作義部新編第三十二師、新編騎兵第四師蜂擁而至，與第一○一師會合，并迅速發起反圍攻作戰。至此，傅作義部已有6個師的兵力會集于集寧城郊，晉察冀、晉綏軍區部隊經過幾晝夜鏖戰，特別是一整夜的往返調動，既疲勞又饑餓。在集寧附近殲滅傅部援軍的計劃，已不可能實現，如繼續戀戰，處境將更加不利。在這種情況下，部隊被迫于當晚放棄集寧，撤出戰斗，向東北方向轉移。
集寧一戰失利后，傅作義部主力繼續向大同逼近，企圖與大同守軍配合，對圍城部隊實施夾擊。形勢對執行既定的攻城計劃十分不利，大同不宜再圍。9月16日，為尋求新的戰機，晉察冀軍區決定撤圍大同，楊成武等部開往老根據地易縣集結。大同集寧戰役遂告結束。
集寧一戰，傅作義出盡了風頭。9月20日，他得意忘形，在綏遠《奮斗日報》上發表了一封《致毛**的公開電》，百般揶揄中共方面：
然你們相信武力萬能，調集了十七個旅，五十一個團之眾，企圖在集寧殲滅國軍，城郊野戰和慘烈巷戰，繼續達四晝夜，最后你們終于潰敗了。
當你們潰退的前一天，延安廣播且已宣布本戰區國軍被你們完全包圍，完全擊潰，完全殲滅，但次日的事實，立刻給了一個無情的證明，證明被包圍被擊潰被殲滅的不是國軍，而是你們自夸所謂參加二萬五千里長征的賀龍所部、聶榮臻所部，以及張宗遜、陳正湘、姚喆等的全部主力。
朱德特將此電分發全體將士，“請將不如激將”。
大同集寧戰役歷時一個半月，晉察冀、晉綏軍區部隊密切協同，并肩作戰，殲滅敵1個師大部、3個師各一部等，共1.2萬余人，給國民黨軍以沉重打擊。但戰役未能達到攻城、打援的預期目的，尤其是未能殲滅傅作義部主力于集寧城下，使張家口乃至整個解放區面臨更為不利的局勢。
聶榮臻主動承擔了責任，認為自己“有考慮不當之處”，同時認為前線指揮存在失誤：
從實踐的結果來看，發起大同戰役，有考慮不當之處。因為大同敵人的兵力雖不雄厚，而城防設施是頗為堅固的。當時，我軍既沒有重武器配備，又缺乏攻堅戰經驗，哪里有把握攻下大同？在當時裝備很差的條件下，只能先打弱的，后打強的。如果一開始我們就在攻城的同時，把重點放在打援上，集中優勢兵力，爭取在運動中殲滅前來救援大同的敵人，那后果就會大不相同了。……再加上后來集寧方面戰場指揮的錯誤，就導致了這次戰役的失利。
作為戰役的具體組織者，張宗遜也作了反思，認為包括自己在內都存在“戰術上輕敵”：
戰役沒有打好，原因是多方面的。
其一，不少部隊剛由游擊隊編成，戰斗力不強，打運動戰尚不成熟，就打大規模的攻堅戰，是很勉強的。
其二，這次戰役具有初戰性質，不慎初戰，一開始就張大口去打有堅強設防的大同，未能發揮我軍打運動戰、打小據點的長處。
其三，當時有奪取敵占城鎮的風氣，卓資山、集寧反成了我們的包袱，若不守卓資山和集寧，把晉綏的一萬部隊集中起來，配合晉察冀部隊打運動戰，會主動得多。按我軍所長，堅守卓資山、集寧都是失策的。
其四，我軍裝備好，重裝備如坦克沒有油料，導致沒有發揮作用，大同礦區雖有大量**，沒有利用來炸敵人的碉堡，以彌補我炮火不足的經驗。……結果連敵人外圍的防御工事也掃不動，以致作戰時間拖延了一個月，使敵人有充分時間準備增援。
其五，對大同守敵和傅作義增援均估計不足，戰術上輕敵。……對傅作義增援沒估計到他會傾巢出動，而且來得那么快，事先沒有充分準備。整個戰役準備倉促，只給了十天準備時間，在陽高會議之前有的部隊已經打起來了，臨時搞指揮機構，地形沒來得及看，部隊情況不熟悉。通信聯絡也沒有搞好，主要靠參謀人員送信傳遞命令，敵人逼近集寧的報告收不到，給陳正湘縱隊的命令發不出去，在集寧城下錯失殲敵的良機。
一是在指導思想上，打運動戰、殲滅戰的思想還沒有真正樹立起來……設法殲滅其有生力量的意識還很不強，以至于平推外圍據點，使守軍收縮城內；對城內守軍出援，不是乘機截擊圍殲，而是單純攔阻、擊潰；集寧打援，不善于創造和捕捉戰機，甚至有利戰機出現時也未能很好把握，加之力量使用分散，導致大同攻堅久圍未果，集寧打援陷入被動。
二是在戰役指揮上，把奪取“三路四城”戰略任務的突破口選為大同攻堅，而不是以消滅對方有生力量為戰役目標。
三是對敵情估計不足，準備不充分，部隊集結速度慢。
言外之意，如果遵照毛**的意見組織平漢戰役，或許是另外一種局面。
其實，對集寧之戰，傅作義也是心驚膽戰，他曾經說過：“集寧會戰，按當時的情形，我們是相當的危險，很有失敗的可能，最后能得到勝利，我認為是一個僥幸。第101師參加戰斗之后，共產黨犯了一個錯誤，就是在12日晚上，他沒有去攻擊新編第三十一師，而去全力打101師，這是共產黨失敗的原因。如果他那天晚上去攻新編第三十一師，我們的情況就相當危險了
集寧戰役失敗后，主席召開了內部軍事會議，也沒有過多的指著前線指揮員，錯誤的指揮，或指揮不力，而是耐心的分析了我軍的不足，戰斗力差，游擊戰術不是太成熟，游擊戰不適合大兵團的攻城戰等問題。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。
接著就指出重武器沒有發揮出作用，攻城沒有重武器，艱難程度可想而知。。。所以武器裝備必須協同作戰，隨后這個計劃給主席寫進了步兵守則里，指揮員一定牢記，切記切記。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。