日軍占領(lǐng)平津后，立即移主力進攻察南，以解除其側(cè)背之威脅。具體部署為：以獨立混成第11旅；第5師向平綏線上的南口進攻；以關(guān)東軍察哈爾派遣兵團3個旅的兵力，由多倫向張家口前進，并分遣一部由沽源進攻獨石口；以偽蒙9個師在尚義、商都、化德一帶阻止中國晉綏部隊向察哈爾增援。
　　1937年8月1日，湯恩伯被任命為第7集團軍前敵總指揮，負責(zé)指揮平綏路東段作戰(zhàn)。第13軍（轄第4、第89師）布防于南口、居庸關(guān)、得勝口一線，擔(dān)負正面防御；第17軍（轄第21、第84師）配置于赤城、延慶、懷來一線，抵御多倫、獨石口方面之?dāng)常坏?8軍（轄143師、27旅）及察哈爾保安隊固守張家口；另以第35軍、趙承綬騎兵第1軍，集結(jié)于集寧、興和地區(qū)，為戰(zhàn)役機動。8月8日，日獨立混成第11旅進攻得勝口中國守軍左翼陣地，被擊退。9日，日軍向南口正面發(fā)動進攻，第89師官兵憑險阻敵，頑強抵抗，中日雙方傷亡均慘重。14日，第94師開至南口前線，置于第89師與第84師防地之間參戰(zhàn)。至16日，南口、居庸關(guān)爭奪戰(zhàn)已逾一周，日軍仍毫無進展，于是避開正面，以第5師主力攻擊我守軍右翼橫嶺城、鎮(zhèn)邊城，企圖迂回居庸關(guān)側(cè)背。湯恩伯令第4師增援。日軍以每路5千人的兵力，在飛機大炮掩護下，分三路向第4師陣地進攻，戰(zhàn)況異常慘烈。20日，傅作義率1個師又3個旅的兵力赴懷來增援。但此時日軍已攻下神威臺及漢諾壩，張家口告急，傅率部當(dāng)即返回張垣，留下第72師及獨立第7旅歸湯恩伯指揮。由鎮(zhèn)邊城迂回的日軍與第72師416團展開激戰(zhàn)。23日，日軍在占領(lǐng)鎮(zhèn)邊城、水頭村后，向懷來突進，居庸關(guān)側(cè)背受到威脅。經(jīng)連日苦戰(zhàn)，第13軍已傷亡過半。8月11日，蔣介石命令衛(wèi)立煌第14集團軍增援，并派孫連促部向良鄉(xiāng)、索里突擊，掩護第14集團軍北進。21日，衛(wèi)集團軍先頭部隊到達青白口附近，與鎮(zhèn)邊城的日軍接戰(zhàn)。但終因道路險阻，永定河小組長水，以及日軍的鉗制，失去與第13軍協(xié)同作戰(zhàn)的機會。25日，日軍猛攻橫嶺城、居庸關(guān)一線，并施放毒氣，第89師、第4師死傷枕籍，南口鎮(zhèn)失守，但仍據(jù)兩側(cè)有利地形與日軍作戰(zhàn)。26日，傅作義部反攻失利，退守柴溝堡，張家口失守。劉汝明部也奉命于是日向洋河右岸撤退。此時，南口勢成孤懸 ，同日，湯恩伯奉命放棄南口地區(qū)據(jù)守點，向桑干河右岸突圍。沽源方面的日軍占領(lǐng)赤城后，向延慶進攻，第17軍也撤向桑干河南岸。
　　南口戰(zhàn)役中國方面投入兵力6萬余人，日軍動用兵力約有7萬，該役歷時18天，殲敵1．5萬余人，挫傷了日軍的氣焰，延緩了日本侵華的進程。