日军占领平津后，立即移主力进攻察南，以解除其侧背之威胁。具体部署为：以独立混成第11旅；第5师向平绥线上的南口进攻；以关东军察哈尔派遣兵团3个旅的兵力，由多伦向张家口前进，并分遣一部由沽源进攻独石口；以伪蒙9个师在尚义、商都、化德一带阻止中国晋绥部队向察哈尔增援。
1937年8月1日，汤恩伯被任命为第7集团军前敌总指挥，负责指挥平绥路东段作战。第13军（辖第4、第89师）布防于南口、居庸关、得胜口一线，担负正面防御；第17军（辖第21、第84师）配置于赤城、延庆、怀来一线，抵御多伦、独石口方面之敌；第68军（辖143师、27旅）及察哈尔保安队固守张家口；另以第35军、赵承绶骑兵第1军，集结于集宁、兴和地区，为战役机动。8月8日，日独立混成第11旅进攻得胜口中国守军左翼阵地，被击退。9日，日军向南口正面发动进攻，第89师官兵凭险阻敌，顽强抵抗，中日双方伤亡均惨重。14日，第94师开至南口前线，置于第89师与第84师防地之间参战。至16日，南口、居庸关争夺战已逾一周，日军仍毫无进展，于是避开正面，以第5师主力攻击我守军右翼横岭城、镇边城，企图迂回居庸关侧背。汤恩伯令第4师增援。日军以每路5千人的兵力，在飞机大炮掩护下，分三路向第4师阵地进攻，战况异常惨烈。20日，傅作义率1个师又3个旅的兵力赴怀来增援。但此时日军已攻下神威台及汉诺坝，张家口告急，傅率部当即返回张垣，留下第72师及独立第7旅归汤恩伯指挥。由镇边城迂回的日军与第72师416团展开激战。23日，日军在占领镇边城、水头村后，向怀来突进，居庸关侧背受到威胁。经连日苦战，第13军已伤亡过半。8月11日，蒋介石命令卫立煌第14集团军增援，并派孙连促部向良乡、索里突击，掩护第14集团军北进。21日，卫集团军先头部队到达青白口附近，与镇边城的日军接战。但终因道路险阻，永定河小组长水，以及日军的钳制，失去与第13军协同作战的机会。25日，日军猛攻横岭城、居庸关一线，并施放毒气，第89师、第4师死伤枕籍，南口镇失守，但仍据两侧有利地形与日军作战。26日，傅作义部反攻失利，退守柴沟堡，张家口失守。刘汝明部也奉命于是日向洋河右岸撤退。此时，南口势成孤悬 ，同日，汤恩伯奉命放弃南口地区据守点，向桑干河右岸突围。沽源方面的日军占领赤城后，向延庆进攻，第17军也撤向桑干河南岸。
南口战役中国方面投入兵力6万余人，日军动用兵力约有7万，该役历时18天，歼敌1．5万余人，挫伤了日军的气焰，延缓了日本侵华的进程。 | 
