当南口地区苦战时，关东军“察哈尔调派兵团”混成第2旅团，于8月20日向张家口策动打击，当夜冲破刘汝明第68军戍守的长城防地，占据了神威台。保安第1旅旅长马玉田阵亡。22日，日军持续向万全方向打击，击退守军第143师后，于24日进至张家口西南高地，并占据孔家庄车站，堵截了平绥路。

日军第5师团参战，使中国第13军防地处于危境。18日，傅作义率第72师落第100旅、第211旅和独立第7旅，由柴沟堡声援南口作战。蒋介石急令卫立煌部敏捷向周口店集合，声援南口、怀来地区作战。令汤恩伯：恪守现有阵地，最后必须死守怀来，待援反击。

8月16日，日本“中国驻屯军”令刚从日本进入华北、在昌平以南集结的第5师团参战，并批示独立混成第11旅团作战。17日，日军第42联队第1大队篡夺了长城线上最岑岭1390高地。第5师团主力逐次展开于1390高地至镇边城之间，向守军策动进犯，并将1050高地四周作为首要突击方向，诡计以侧翼迂回战术冲破长城线篡夺怀来，堵截居庸关方面中**队退路。中国守军固执抗击。因日军逐步增加，中**队退取守势。

25日夜，汤恩伯将战况急报蒋介石。蒋于26日上午复电汤：“我军必须死守现地，切勿再退，不然，到处皆是死地，与其退而死，不如恪守而死，况恪守以待卫军联络，便是活路。此时唯一朝气，惟力求与卫联络之一途罢了。”卫立煌军一部虽已达到大村，但汤恩伯仍未与其获得联络，而居庸关、横岭城垂危。

20日，傅作义到怀来火线批示部与汤恩伯等商定，以第72师及独立第7旅反击突入黄楼院之敌，将敌击退后，即将这两部兵力转用于张垣，以规复张北。但18日、19日，张家口情势产生窜改，由张北反攻的关东军“察哈尔调派兵团”（后改称“蒙疆兵团”）攻陷外长城神威台及汉诺堡。为解张家口之危，傅作义率两个旅回援张家口。

此时，傅作义率声援南口的两个旅返回张家口，当即向占据高地的日军反击，虽给敌以重创，但未能见效。刘汝明所部向天镇、蔚县撤退。傅作义退守柴沟堡。8月27日，张家口沦陷。日军混成第2旅团与第5师团汇合，张家口以东平绥路及其以北地区全被日军节制。

又说：“我们不否定南口的失守，对全部抗战局势增加了一些困难，也不否定察绥咽喉的放弃，是增加了黄河下流各省的伤害。但是，南口抗战的英勇，天下公众对南口抗战的后盾与拥戴的热烈气象，已证明，不管多大的困难，都是能够降服的。中华民族毫不会灭亡！”

25日，日军猛攻横岭城和居庸关。敌我在这两据点展开苦战。下午3时，日军坦克突入居庸关，随本日军在飞机大炮援助下猛击怀来。长城各据点守军已处于日军前后夹攻之势。