8月16日，日本“中國駐屯軍”令剛從日本進入華北、在昌平以南集結的第5師團參戰，並指揮獨立混成第11旅團作戰。17日，日軍第42聯隊第1大隊奪取了長城線上最高峰1390高地。第5師團主力逐次展開於1390高地至鎮邊城之間，向守軍發動攻擊，並將1050高地附近作為主要突擊方向，企圖以側翼迂迴戰術突破長城線奪取懷來，切斷居庸關方麵中**隊退路。中國守軍頑強抗擊。因日軍逐漸增加，中**隊退取守勢。
8月18日，傅作義召集幕僚研究決定，“先以全力殲滅張北之敵，並將騎兵推進至多倫，保持張垣安全。然後再轉移兵力，增援南口”，並將此意電告閻錫山。但閻複電：“即率大軍增援南口。”又派王靖**長傳達命令：“先解南口之危。”傅作義即遵命而行。
日軍第5師團參戰，使中國第13軍防線處於危境。18日，傅作義率第72師及第100旅、第211旅和獨立第7旅，由柴溝堡增援南口作戰。蔣介石急令衛立煌部迅速向周口店集中，增援南口、懷來地區作戰。令湯恩伯：固守現有陣地，最後必須死守懷來，待援出擊。
19日是南口作戰最激烈的一天。敵我在黃樓院、禾子澗、砂鍋鋪、850高地一帶反複爭奪。一日之間，中**隊傷亡1,200餘人。這天，居庸關方麵日軍突入關南門，後被擊退。
20日，傅作義到懷來前線指揮部與湯恩伯等商定，以第72師及獨立第7旅出擊突入黃樓院之敵，將敵擊退後，即將這兩部兵力轉用於張垣，以恢複張北。但18日、19日，張家口形勢發生變化，由張北反攻的關東軍“察哈爾派遣兵團”（後改稱“蒙疆兵團”）攻陷外長城神威台及漢諾堡。為解張家口之危，傅作義率兩個旅迴援張家口。
日軍發現衛立煌第14集團軍北進增援南口，即派第6師團第36旅團進行阻擊。22日，第14集團軍在涿縣一帶與第36旅團遭遇，一部兵力與敵激戰，主力繼續北進。戰至24日，將日軍第36旅團一部擊退。21日拂曉，日軍向橫嶺城發動攻擊；22日，一部日軍突入橫嶺城南方高地。23日，向鎮邊城迂迴的日軍與第72師第416團展開激戰。日軍將該團擊退占領了鎮邊城，並占領橫嶺城守軍陣地後方的水頭村。
23日夜間，湯恩伯下令再次調整部署、緊縮戰線、固守據點，並呈報蔣介石：“居庸關為第1固守點，由第21師及第89師守備；橫嶺城為第2固守點，由第72師及第4師守備；延慶為第3固守點，由第94師守衛備；懷來為第4固守點，由獨立第7旅守備。”湯恩伯嚴令：“非有命令不得移動或放棄。”24日，蔣介石複電湯恩伯：“我軍既退守各據點，務令各級主官激勵所部，死守勿退。”
25日，日軍猛攻橫嶺城和居庸關。敵我在這兩據點展開激戰。下午3時，日軍坦克衝入居庸關，隨即日軍在飛機大炮支援下猛擊懷來。長城各據點守軍已處於日軍前後夾擊之勢。
25日夜，湯恩伯將戰況急報蔣介石。蔣於26日上午複電湯：“我軍必須死守現地，切勿再退，否則，到處皆是死地，與其退而死，不如固守而死，況固守以待衛軍聯絡，即是生路。此時惟一生機，惟力圖與衛聯絡之一途而已。”衛立煌軍一部雖已到達大村，但湯恩伯仍未與其取得聯絡，而居庸關、橫嶺城告急。
26日下午1時，湯恩伯下令全軍突圍。當日南口失守。27日，湯恩伯所屬部隊奉命退至蔚縣、廣靈、淶源。日軍第5師團隨後追擊。南口失守，晉察綏三省門戶大開。
**機關報《解放》發表評論說：“不管南口陣地事實上的失卻，然而這一頁光榮的戰史，將永遠與長城各口抗戰、淞滬兩次戰役鼎足而三，長久活在每一個中華兒女的心中。”
又說：“我們不否認南口的失守，對整個抗戰局勢增加了一些困難，也不否認察綏咽喉的放棄，是增加了黃河下遊各省的危險。然而，南口抗戰的英勇，全國民眾對南口抗戰的後援與擁護的熱烈氣象，已證明，不管多大的困難，都是可以克服的。中華民族絕不會滅亡！”
當南口地區激戰時，關東軍“察哈爾派遣兵團”混成第2旅團，於8月20日向張家口發動進攻，當夜突破劉汝明第68軍防守的長城防線，占領了神威台。保安第1旅旅長馬玉田陣亡。22日，日軍繼續向萬全方向進攻，擊退守軍第143師後，於24日進至張家口西南高地，並占領孔家莊車站，切斷了平綏路。
此時，傅作義率增援南口的兩個旅返迴張家口，立即向占領高地的日軍反擊，雖給敵以重創，但未能奏效。劉汝明所部向天鎮、蔚縣撤退。傅作義退守柴溝堡。8月27日，張家口失陷。日軍混成第2旅團與第5師團會合，張家口以東平綏路及其以北地區全被日軍控製。
8月18日，傅作義召集幕僚研究決定，“先以全力殲滅張北之敵，並將騎兵推進至多倫，保持張垣安全。然後再轉移兵力，增援南口”，並將此意電告閻錫山。但閻複電：“即率大軍增援南口。”又派王靖**長傳達命令：“先解南口之危。”傅作義即遵命而行。
日軍第5師團參戰，使中國第13軍防線處於危境。18日，傅作義率第72師及第100旅、第211旅和獨立第7旅，由柴溝堡增援南口作戰。蔣介石急令衛立煌部迅速向周口店集中，增援南口、懷來地區作戰。令湯恩伯：固守現有陣地，最後必須死守懷來，待援出擊。
19日是南口作戰最激烈的一天。敵我在黃樓院、禾子澗、砂鍋鋪、850高地一帶反複爭奪。一日之間，中**隊傷亡1,200餘人。這天，居庸關方麵日軍突入關南門，後被擊退。
20日，傅作義到懷來前線指揮部與湯恩伯等商定，以第72師及獨立第7旅出擊突入黃樓院之敵，將敵擊退後，即將這兩部兵力轉用於張垣，以恢複張北。但18日、19日，張家口形勢發生變化，由張北反攻的關東軍“察哈爾派遣兵團”（後改稱“蒙疆兵團”）攻陷外長城神威台及漢諾堡。為解張家口之危，傅作義率兩個旅迴援張家口。
日軍發現衛立煌第14集團軍北進增援南口，即派第6師團第36旅團進行阻擊。22日，第14集團軍在涿縣一帶與第36旅團遭遇，一部兵力與敵激戰，主力繼續北進。戰至24日，將日軍第36旅團一部擊退。21日拂曉，日軍向橫嶺城發動攻擊；22日，一部日軍突入橫嶺城南方高地。23日，向鎮邊城迂迴的日軍與第72師第416團展開激戰。日軍將該團擊退占領了鎮邊城，並占領橫嶺城守軍陣地後方的水頭村。
23日夜間，湯恩伯下令再次調整部署、緊縮戰線、固守據點，並呈報蔣介石：“居庸關為第1固守點，由第21師及第89師守備；橫嶺城為第2固守點，由第72師及第4師守備；延慶為第3固守點，由第94師守衛備；懷來為第4固守點，由獨立第7旅守備。”湯恩伯嚴令：“非有命令不得移動或放棄。”24日，蔣介石複電湯恩伯：“我軍既退守各據點，務令各級主官激勵所部，死守勿退。”
25日，日軍猛攻橫嶺城和居庸關。敵我在這兩據點展開激戰。下午3時，日軍坦克衝入居庸關，隨即日軍在飛機大炮支援下猛擊懷來。長城各據點守軍已處於日軍前後夾擊之勢。
25日夜，湯恩伯將戰況急報蔣介石。蔣於26日上午複電湯：“我軍必須死守現地，切勿再退，否則，到處皆是死地，與其退而死，不如固守而死，況固守以待衛軍聯絡，即是生路。此時惟一生機，惟力圖與衛聯絡之一途而已。”衛立煌軍一部雖已到達大村，但湯恩伯仍未與其取得聯絡，而居庸關、橫嶺城告急。
26日下午1時，湯恩伯下令全軍突圍。當日南口失守。27日，湯恩伯所屬部隊奉命退至蔚縣、廣靈、淶源。日軍第5師團隨後追擊。南口失守，晉察綏三省門戶大開。
**機關報《解放》發表評論說：“不管南口陣地事實上的失卻，然而這一頁光榮的戰史，將永遠與長城各口抗戰、淞滬兩次戰役鼎足而三，長久活在每一個中華兒女的心中。”
又說：“我們不否認南口的失守，對整個抗戰局勢增加了一些困難，也不否認察綏咽喉的放棄，是增加了黃河下遊各省的危險。然而，南口抗戰的英勇，全國民眾對南口抗戰的後援與擁護的熱烈氣象，已證明，不管多大的困難，都是可以克服的。中華民族絕不會滅亡！”
當南口地區激戰時，關東軍“察哈爾派遣兵團”混成第2旅團，於8月20日向張家口發動進攻，當夜突破劉汝明第68軍防守的長城防線，占領了神威台。保安第1旅旅長馬玉田陣亡。22日，日軍繼續向萬全方向進攻，擊退守軍第143師後，於24日進至張家口西南高地，並占領孔家莊車站，切斷了平綏路。
此時，傅作義率增援南口的兩個旅返迴張家口，立即向占領高地的日軍反擊，雖給敵以重創，但未能奏效。劉汝明所部向天鎮、蔚縣撤退。傅作義退守柴溝堡。8月27日，張家口失陷。日軍混成第2旅團與第5師團會合，張家口以東平綏路及其以北地區全被日軍控製。