察哈尔民众抗日同盟军的成立不仅得到了张家口、察哈尔人民的热烈支持，在全国范围内也引起了强烈反响。很多抗日团体、社会名流、省市当局纷纷致电冯玉祥，对其表示支持和祝贺。全国知名人士朱庆澜在北平成立的东北三省抗日义勇军后援会还把在北平、上海等地募集到的10万元巨款送到张家口，以供冯玉祥作抗日经费。

中共华北政治保卫局在冯玉祥组建抗日同盟军的过程中，始终与冯玉祥保持了密切联系，并在先期派出萧明、吴化之、张存实、武止戈、许权中到张家口开展抗日工作后，又派出张慕陶、宣侠父、邹春生等数十名共产党人到张以加强助冯的工作力量。同时，平津等地的共产党组织也积极发动和组织北平、天津、太原等地的青年、学生、工人赶赴张家口，参加抗日同盟军，并且还为抗日同盟军募集了一批经费和物资。中共党员宣侠父和许权中分别担任五师和十八师师长。在抗日同盟军各部队中的中共党员大约有300余人。

此时，日伪军继续向南推进。6月1日，日军飞机轰炸独石口，6月4日攻占宝昌，6月5日占领康保，而后沿张（北）康（保）大道向张北县进逼。面对日伪军咄咄逼人的攻势，冯玉祥采取紧急措施以应敌。命李忠义、张砺生、乜玉岭等部开往张北拒敌；委派张凌云为赤城、龙关警备司令，率步兵一旅前往独石口扼险防守；另派张人杰师为后应。

6月15日，冯玉祥在张家口主持召开了抗日同盟军第一次军民代表会议。出席大会的代表共61人。冯玉祥、王化三、张砺生、武纯仁、张慕陶、张允荣、方振武、吉鸿昌、邓文等9人为主席团成员。大会在对抗日同盟军的军事、政治、经济等方面作出了纲领性的决议案。其要点是：抗日同盟军为革命军民的联合战线，其宗旨是外抗暴日，内除国贼，武力收复失地，对日绝交，反对任何妥协；联合世界反对帝国主义的势力共同奋斗，完成中国之独立自由；肃清汉奸卖国贼，实现民众政权；取消苛捐杂税，改善工农、贫民、士兵的生活；释放爱国政治犯；保障民众集会、结社、言论、出版、武装之自由；凡有志抗日救国的军民团体，均得加入同盟军。大会还决议组织民众抗日同盟军军事委员会，作为大会闭会期间的最高权力机关，负责处理同盟军内军事、政治、财政、外交等方面的事宜。第一届军事委员会委员35名，候补委员29名，推选冯玉祥、方振武、吉鸿昌、张慕陶等11人为常务委员。

这次代表大会进一步明确了抗日同盟军在政治、经济、军事诸方面的工作任务，加强了领导机构，理顺了领导关系，在激发部队抗日情绪，增强相互团结方面起了重要作用。

会后，冯玉祥对部队重新加以编制，任命方振武为北路军前敌总司令，吉鸿昌为北路前敌总指挥，李忠义为右翼副总指挥，邓文为左翼副总指挥。同时还任命佟麟阁为第一军军长，吉鸿昌为第二军军长，阮玄武为第五军军长，李忠义为第十六军军长，黄守中为第十八军军长，邓文为第五路军总指挥，孙良诚为骑兵挺进军总指挥，张砺生为察哈尔自卫军军长，方振武为抗日救国军总司令，富春为第二十四师师长，马冠军为第二十五师师长。至此，察哈尔民众抗日同盟军组建工作圆满完成，所部共约10万余人。

按照制定的军事行动计划，1933年6月20日，吉鸿昌率卫队离张家口到达张北组建总指挥部。当晚，吉鸿昌、李忠义、邓文发表就职通电，再次表示“愿掷头颅，换取民族生存，挥我热血，收复大好河山”的决心。他们制定了详细的作战计划。依照计划，邓文的第五路军为左翼第一梯队，由左卫出发，经太师庄、水磨厂向张北县以北集结；李忠义的第十六军为右翼第二梯队，由万全县出发，经正北沟、北马厂向张北县以东阮庄一带集结；骑兵第三师为第三梯队，由张家口出发，经南天门、孤石滩到张北县城集结。

抗日同盟军部署完毕，即首先向盘踞在康保的日伪军展开进攻，6月22日午后3时一举收复康保县城，残敌向宝昌逃窜。6月27日，冯玉祥致电吉鸿昌：“察东民众，水深火热，伐罪之举，未容稍缓”命其速率各部攻击宝昌。

当时，宝昌驻有伪军张海鹏、崔兴武的主力部队。日军在得知抗日同盟军攻克康保的消息后，急令伪军张海鹏调遣重兵支援宝昌，日军茂木骑兵旅团又援以大量武器装备，派出骡马千匹，日夜赶运接济。

而抗日同盟军此时却弹药奇缺，给养困难，部队有时一天连一顿饱饭都吃不上。加上连日阴雨，人马衣物尽被淋湿，冷饿交加，其困苦状况难以尽言。尽管如此，抗日同盟军将士凭其满腔热血，全力以赴，投入作战行动。6月30日，抗日同盟军主力逼近宝昌。7月1日与伪军主力在刘家营、柳条沟一带发生激战，至傍晚，将伪军主力击败，残敌弃城逃往多伦。抗日同盟军再克宝昌。此时，驻守沽源的伪军刘桂堂发表通电，宣告反正，沽源亦告收复。抗日同盟军乘胜向多伦挺进。

多伦，位于滦河上游，是察哈尔靠近热河边境的一个军事重镇。元朝时多伦属“上都”，明朝时属“开平卫”，清朝时多伦设多伦诺尔厅，是口北三厅之一，民国二年改多伦县。日军侵占多伦以后，即派茂木骑兵旅团和一个重炮队3000余人及伪军李守信部1万余人驻守这里。他们在城外构筑了32座八卦炮台，还在城内外修建了交通沟、电网等设施，将多伦建成了一个攻防兼备的战斗堡垒。抗日同盟军收复康保等3县之后，日军又将茂木骑兵旅团和义一第八师团作了重新部署，加强了多伦的防御力量。

7月7日，抗日同盟军分三路总攻多伦。中路李忠义部由黄土滩子一带发起攻击，左路张凌云部由黄土厂包抄敌军后背，右路刘桂堂部苏致广师由土窑洼截断敌军归路，吉鸿昌、邓文两部为总预备队，进驻前后孤山。

战斗打得异常激烈。日伪军凭借其坚固工事拼力死守，驻热河的铃木师团又派两队飞机前来助战。经日机轮番轰炸，抗日同盟军阵地被摧毁。多伦守敌乘机组织三次反扑。但由于抗日同盟军将士的顽强阻击，日伪军的反扑均遭失败，而同盟军也受到重大损失。7月8日，抗日同盟军再行攻击，夺敌壕两道。至9日凌晨，将日伪军在城外大部工事占领。日伪军退入城内继续坚守。9日晚，吉鸿昌组织敢死队全力攻城，“肉袒匍伏前进，爬城三次”，但由于敌人工事坚固，火力猛烈，攻击未获成功。10日再攻，仍无功而返。11日，抗日同盟军选派40余名战士化装成伪军混入城内。12日，吉鸿昌亲率部队向多伦展开猛攻，在混入城内的抗日同盟军的配合下，终于打乱了敌人的防御体系。上午9时40分，抗日同盟军从南、西、北三门相继攻入城内，又经3个多小时的巷战，终将固守的敌军歼灭，余敌从东门逃往热河境内。至此，沦陷了70多天的多伦重镇终于被抗日同盟军将士收复。当天12时许，抗日同盟军列队开进城内。多伦各族群众扶老携幼，涌上街头，热烈欢迎英勇善战的抗日同盟军将士。

从6月20日抗日同盟军正式展开北征的军事行动开始，在短短的20余天的时间里，抗日同盟军便将陷落敌手的察东4县全部收复，将侵入察哈尔的日伪军赶出了察哈尔境域。这次胜利是自“九·一八”事变以后，由民众抗日武装取得的最为辉煌的战果。同时，抗日同盟军也付出了相当的代价。整个战役中，抗日同盟军共伤亡官兵1600余人，其中阵亡312人，负伤1380人。

抗日同盟军收复多伦的消息传到张家口，全城顿时沸腾起来。广大群众奔走相告，共同分享这一胜利的喜悦。抗日同盟军察省大捷，也一扫“九·一八”以来抗战的沉闷气氛，使全国军民深受鼓舞，倍感振奋。来自全国各地的电报中，有的赞誉冯玉祥“肩起抗日救国之责，全国民众，曷胜欣慰”；有的称赞抗日同盟军：“起九死之国魂，系千钧于一发，无待还我河山，功已不在禹下”，欢呼抗日同盟军抗敌大捷“扬我国光，奋我国威”，希望抗日同盟军“再接再厉，直捣黄龙，复我河山”。就连一些国民党中央委员、高级将领如李宗仁、程潜、李济深、蔡廷锴、李烈钧、蒋光鼐等，也要求汪精卫、蒋介石对冯玉祥要“奖其忠忱，嘉其勇毅，补充其军旅，受以重权，升以大任”。这一切都充分说明，在国难当头之际，人心向背，皆以抗日救亡为基准。冯玉祥顺应大势，高举义旗，逆政府意愿，做国人想做而未能做之事，从而赢得全国人民的支持和拥护是在情理之中的事。同时，察哈尔民众抗日同盟军的军事大捷，在全国还促成了一次新的抗日高潮，它不仅在当时鼓舞了全国军民的人心士气，而且对其后开展的全民抗战都产生了极为深刻的影响。