1938年4月1日，马占山率部由高隆渡口过黄河，向敌军后方归化、武川及百灵庙挺进。10日，夜袭平绥线察素齐车站，俘虏众多伪蒙官兵。15日，他率部逼近张北敌人老巢，日寇慌忙调晋甫、晋北4个师团兵力，从阴山山脉中段而来。两军相遇，连续激战7昼夜后，马占山率部退往固阳一带。之后，又被追击之敌四面包围。敌人发起进攻，正在卧病中的马占山闻讯立即翻身跃起，不顾警卫员拦阻，亲率部队奋勇冲杀。此时，敌机投弹如雨，他的警卫排长和身边警卫人员全部牺牲，随从指挥官盖克敏也被炸弹震昏，马占山仍然指挥部队顽强拼杀。战至下午5时，他终于突出敌人重围。到大青山不久，他又遭到敌人重重包围。马占山指挥部队与敌血战8昼夜，最后才得以突围。4月20日，后退中的挺进军被日寇截击战败。刘桂五将军率部断后，奋力阻击，激战两天两夜。22日，部队在黄油干子(今包头附近)渡河时，挺进军司令部突遭日寇战车袭击，刘桂五将军率部就地抵抗，掩护军部撤离，不幸中弹殉国。突围中的马占山听说刘桂五战死，不顾危险返回。由于战况紧急，他只能命部下暂时将刘桂五遗体仓促掩埋在河岸附近的乱石中。黄油干子一役，粉碎了日寇全歼挺进军的企图，东北挺进军在伊盟站稳了脚跟，使保卫大西北、拒敌于黄河以北成为现实。
同年8月下旬，马占山由重庆返回陕西府谷时，想到挺进军的作战和辎重运输曾多次得到延安方面的援助，因而决定途经延安觐见中共领导人毛泽东。毛泽东代表党中央和陕甘宁边区政府致欢迎词，热烈欢迎马占山的到来，并对他的抗日行动，给以高度评价，称他的这种精神值得敬佩。直到9月下旬，马占山才抱着十分感激的心情，惜别延安。回到府谷县哈拉寨，他着手重新整编部队，健全组织，继续坚持抗日斗争。
8年抗战中，马占山率领的东北挺进军始终与八路军协同作战。挺进军的有效坚守和伺机主动出击，使日寇始终未能渡过黄河一步，为保卫大西北和陕甘宁作出了巨大贡献，挺进军也成为晋绥侧翼的一支重要力量。
