1945年9月11日，聂荣臻回到晋察冀的第三天，接到中央军委关于“各战略区粉碎蒋军进攻的部署”的电报。电报说：“绥远傅作义部夺我归绥、武川、陶林、丰镇、集宁五城后，于六日又夺我兴和，逼近天镇、柴沟堡，有向张家口进攻模样??我必须立即组织察、绥战役，消灭傅作义部，解放绥远，收复归绥??晋察冀军区必须立即集结二万五千以上兵力??协同晋绥军区转向傅顽进攻。”规定整个战役由聂荣臻统一指挥。
聂荣臻当即决定，晋察冀抽调3个纵队出征绥远，与晋绥军区的5个旅，共15个旅5.3万人执行战役任务。傅作义的兵力约4.7万人，连同杂牌部队和大同阎锡山的部队共约9.7万人。在兵力上普察冀与晋绥两军区不占优势。
10月15日，聂荣臻发布了绥远战役命令，随即率部西进。18日、19日各部队展开了进攻：冀察纵队取隆盛庄；冀中纵队取张皋镇、三水岭、官村；冀晋纵队一路向聚乐堡，一路向红砂坝、丰镇。很快攻占上述各点。与此同时，晋绥军区部队占领了凉城、新堂、陶林等地，向卓资山疾进。
在两个军区部队的联合进攻下，傅作义急忙收缩，采劝一第四十六章出征绥远触即退”的战法，迅速向大本营归绥集中。由于傅部撤退迅速，晋察冀与晋绥作战部队未能将敌人的退路切断，聚而歼之。敌人集中重兵于坚城之内，造成攻坚上的巨大困难。
10月22日，在集宁的敌三十五军军部和一○一师成了孤军。傅作义起家的老本钱便是三十五军，这是当年张学良给他的番号。而三十五军的主力又是一○一师。如果把这股力量消灭掉，将是对傅作义的沉重打击。聂荣臻抓住了这个战机，当即决定以冀察、冀中两个纵队聚歼该敌，令冀察纵队立即进占集宁以西的十八台，切断敌人退路；令冀中纵队占领集宁以南的榆树湾、脑包山，从南、西南对集宁发起进攻。23日，冀中纵队占领了榆树湾、脑包山，击溃一○一师的1个团，并以一部兵力前出到集宁以西。敌三十五军军部和一○一师乘夜弃城西逃。24日，晋察冀军区部队占领集宁。25日，晋绥军区独立第一旅曾将集宁逃敌堵截在魁盛庄西北，但因后续部队未及时赶到，敌我兵力过于悬殊，经激战，敌人还是逃跑了。
10月25日，晋绥部队在卓资山打了一个漂亮仗，全歼敌新编第二十六师4000余人。聂荣臻立即发布命令，号召晋察冀军区部队向兄弟部队学习。
20日，聂荣臻的指挥所前移至隆盛庄。26日，他与晋绥野战军司令员贺龙相会。他们一起到了卓资山。两区部队会合了。27日，中央军委在给聂、贺的电报中强调：“此次作战，必须达成歼灭傅顽主力之目的，应将我主力运动到傅顽阵地背后去，由西向东打，方可聚歼。”据此，聂荣臻与贺龙、李井泉一起确定了下一步的作战部署：针对敌人约6个师撤进归绥，决定先肃清外围，合围归绥，再行攻城；另派一部分兵力趋向包头，切断傅部西逃之路，孤立归绥。
10月底，两区部队完成了对归绥的合围。11月中旬，晋绥2个旅、冀察纵队1个旅开始攻打包头。
聂荣臻在陶卜齐设立了指挥所，指挥攻城作战。归绥守敌6个师2.4万多人，粮弹储备充足，决心固守。而聂荣臻所部全属初建，没有大兵团作战和攻坚的经验，又缺乏大炮，屯兵坚城之下，陷于僵持局面。不久，又从西线报来战况：攻击包头受挫，宁夏马鸿逵的一个骑兵师前出到临河，逼近包头。在这种情况下， 11月13日他从陶卜齐绕到归绥城西与贺龙、李井泉会晤，再次商议下一步的决策。
聂荣臻和贺龙感到：我军兵力在归绥、包头虽略占优势，但劳师远征，供应困难，难为久计，且两区再要增兵都有很大困难，严冬即至，带来了更多不便，能拿下包头再回师归绥当然最好，否则不宜久滞坚城之下。他们决定由贺龙、李井泉率晋绥部队西进增援包头，晋察冀部队继续围困归绥。以上部署向中央军委作了报告。中央军委11月16日回电，令聂荣臻率晋察冀部队与晋绥部队一同西进，在归绥只留少数部队控制要点，作弹性围困。如果包头不能迅速攻占，晋绥部队西进消灭马鸿逵援兵，夺取五原、临河、陕坝；晋察冀部队主力控制包头至归绥中间地区，隔断归绥、包头敌人的联系，相机攻取包头，引敌出来，求得野战；晋绥部队完成任务后，留一部分部队控制五原、临河、陕坝，主力回师东进，与晋察冀部队再攻归绥。
这是一个倾全力取包头而置归绥于不顾的方案。聂荣臻对这一方案的能否成功颇为担心，于11月17日实事求是地向中央军委提出如下建议：第一，如果晋察冀部队主力西进，围城部队即转为劣势，而敌人必然乘机反击。“因傅顽以主力固守绥城，并非单纯防守，而系取积极防御，连续主动的出击，企图寻求机会对我各个击破??如我围城部队转为劣势，敌必集中力量向我反击，则全部战局有恶化的危险。”第二，如以全部主力西进，去夺取五原、临河、陕坝，这样，就分为归绥、包头、河套三个战场，相距八百余里，势必兵力分散，三处力量皆弱，难以相互策应。
第三，绥远地区并非根据地，没有巩固的后方补给线，粮食、弹药无法迅速前运，伤员后送也是个大问题。
因此，他主张打几仗再看情况，必要时结束绥远战役。中央军委11月22日复电，仍主张聂部主力西进，集中力量攻取包头。但又指出，“我们对于前方情况不了解”，希聂、贺根据前方实际情况处置。此后，直到12月上旬，晋察冀、晋绥部队在归绥、包头都曾采取围城打援的办法，击退了归绥出击的骑兵第四师；包头方向击退了马鸿逵部骑兵第十师的增援，但歼敌不多。此时严冬已至，部队困难日多。于是，经中央军委同意后，聂荣臻于12月13日下达了结束绥远战役的命令。
绥远战役历时近两个月，收复了绥远的广大地区，消灭了傅作义部队1.2万余人，但没有达到消灭傅作义部主力，解放绥远，收复归绥的预期目的。
12月11日，聂荣臻在向中央军委的报告中说：“未完成绥远战役任务是应当很好检讨总结，以作今后的经验教训。”同时他又客观地提到，此次晋察冀参加绥远战役的只有5个老团，有的部队70％以上是1945年的新兵，未经任何训练。“在技术兵种方面，原炮兵营去延安未返，工兵营所余不及50人。今后部队在思想上、政治上、战术上进行整训，力求提高，是迫不及待的。”
以今天的眼光看，绥远战役是从民族战争到阶级战争、从游击战到运动战转变期间的一个战役。晋察冀部队仓促编为野战军，长途远征，各方面尚不适应。从指挥上说，未在野战中歼敌主力，致使敌撤入城垣固守，由于部队重武器缺乏，当时确实不具备攻城条件。聂荣臻断然停止西进，免得部队陷于被动。多年来他为自己总结出一条经验：没有把握的仗，你不要勉强去打；抓鸡不成，不要把米也蚀掉了。
绥远战役结束，聂荣臻回到了张家口。1946年1月，与他阔别了14年的女儿聂力来到了张家口，这给他带来了天伦之乐。1938年，周恩来曾委托上海地下党找过聂力，终于找到了，但孩子怕被骗卖，说：“爸爸妈妈找我，叫他们自己来接。别人不行。别人接我，我不跟他去。”结果没有成行。抗战胜利以后国共两党进行和平谈判时，周恩来又委托上海中共组织寻找聂力。
一天，北平军调处通知聂荣臻，他的女儿找到了，已经到了北平。聂荣臻立即把这个消息告诉张瑞华。张瑞华是在前不久，步行一个多月，才从延安到达张家口的。他们为全家即将团圆而高兴。
这时，在北平的聂力也陶醉在幸福里。长期的离别，她已经想象不出父亲是什么样子，即使母亲，印象也十分模糊了。领导北平军事调处执行部的叶剑英拿给聂力一张照片，对她说：“这就是你爸爸，你拿着这个，到张家口去，看谁像他，你就叫他爸爸。”
不久，赵尔陆带着聂力来到张家口。她把照片拿出来给父母看，聂荣臻和她开玩笑说：“你对对，像不像啊？”聂力只会说上海话，听不懂聂荣臻四川口音的普通话。聂荣臻也不懂她的话。好在张瑞华在上海呆得久，权当父女之间的翻译。当聂荣臻问起聂力这些年的情形时，女儿说，抚养她的是位工人。她只读过几年小学，后来便做工了。与女儿团聚，聂荣臻很高兴，常忙里偷闲，亲自教女儿学文化。聂力后来上了晋察冀的子弟学校，进城后上了“八一”中学， 50年代到苏联留学，毕业回国后一直从事国防科研工作。