8月17日，苏远东军总司令华西列夫斯基向日本关东军发出“从8月20日12点起，全线停止对苏军的任何军事行动，缴械投降”的最后通牒。19日，苏军猛烈炮击日军狼窝沟前沿阵地，威慑日军。张家口日本蒙疆驻屯军司令部命令狼窝沟守军，以停战谈判的手段阻滞苏军的进攻到22日，使21日结束的撤离计划完成。接此命令，日军阵地上先是不断摇动白旗，后又于傍晚播放停战请求，以拖延时间掩护其居住于张家口的日本人撤退。20日晨，苏军再次以炮火猛轰日军阵地。第三次炮火向纵深延伸后，联军以轻型坦克、摩托车开道发起大规模冲锋。进攻部队在日军前沿阵地北路大桥争夺战中，反复冲杀数十次，控制了大桥，日军退缩到狼窝沟两侧制高点。联军主力迅速跃过大桥，冒雨猛冲，先头部队在雷区受阻，许多摩托车被炸得騰空而起，不少官兵负伤、牺牲，但联军的攻击不但没有停止，反而不惜代价、前赴后继强行冲过雷区。进攻部队在冲锋中再次被防坦克壕阻挡，与日军反击部队短兵相接。经过激烈的战斗，进攻部队英勇击退了日军土兵的数次反扑。近午，联军胜利占领了日军黄花坪、老北台阵地。日军迫于强攻的压力，派出了辻田参谋、中川少佐为首的军使团，举着白旗与联军交涉投降。联军要求日军在15时30分前完全解除武装，日军借口下令投降和上司批准需要时间，继续拖延。当夜，联军又发起攻击，一直推进到黑风口的山岳地带。日军增田中尉率第一中队汇合了从膳房堡增援的金田少佐的第三大队，拼死反扑，白刃战斗异常激烈，双方伤亡很大。联军撤回原阵地。21日，攻守双方再次谈判，日军故伎重演，拖延至夜间。日军预定计划完成后，从狼窝沟沿山间小路悄悄撤走。次日晨，联军顺利占领狼窝沟全线阵地。

遵照苏联远东军总部进攻日军部队不得越过外长城的命令，苏蒙联军没有向张家口市追击日军，始终滞留在狼窝沟一线。事后，八路军收复张家市的第二天，苏军派库兹尼卓夫上校乘车到张家口市，向八路军表示祝贺，并说明了没有进攻张家口市的原因。

狼窝沟之战，苏蒙联军共毙、伤俘日军860余人，缴获了大批弹药和物资。在战斗中，有54名苏联红军和6名蒙古人民军战士壮烈牺牲，有300多名指战员负伤，他们为中国人民抗日战争的胜利做出了卓越的贡献。

日本宣布投降后，国民党与日伪合流大肆收编伪军、土匪、汉奸，日伪军拒绝向八路军投降，转而投人国民党的怀抱。国民党傅作义部队急速向张家口运动，准备接收张家口。日本蒙疆驻屯军方面宣布放弃对傀儡“蒙疆联合自治政府”的支持，通知德王一切行动自便。德王的老巢察哈尔盟一带已被苏蒙联军占领。苏军屯兵张北，八路军矛头直逼张家口市，伪蒙疆政府四面大兵压境，陷入重重包围。

8月20日，日本蒙疆驻屯军司令部命令日本居留民向天津集中，张家口的日本人仓皇溃逃。日本驻“蒙疆”公使八里率先乘火车逃跑。此后的两三天里，大批日军和居留民集中到火车站，车站内外混乱拥挤，日本人哭喊叫骂乱作一团。由于人多车少，急于逃命，日本人弃子抛物一片狼藉，站台和铁道旁到处是丢弃的军械物资、车辆、行李箱包。许多未挤上车的日本人追着开动的火车疯跑，有的向野外逃窜。伪蒙疆政府的官员和豪商也四散逃亡。德王迫于形势，向苏蒙联军联络投降，因没有结果，转而于8月18日急电请示蒋介石，也未见复电，乃偕同伪蒙古军总司令李守信和部分官员携带财物和数十名卫兵，夹杂在日军撤逃的火车上，逃往北平。伪蒙疆联合自治政府副主席于品卿和伪张家口市长崔景岚、韩广森等大汉奸，在八路军收复张家口之后被捕。至此，伪蒙疆联合自治政府彻底土崩瓦解。