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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，并指挥独立混成第11旅团作战。17日，日军第42联队第1大队夺取了长城线上最高峰1390高地。第5师团主力逐次展开于1390高地至镇边城之间，向守军发动攻击，并将1050高地附近作为主要突击方向，企图以侧翼迂回战术突破长城线夺取怀来，切断居庸关方面中**队退路。中国守军顽强抗击。因日军逐渐增加，中**队退取守势。

8月18日，傅作义召集幕僚研究决定，“先以全力歼灭张北之敌，并将骑兵推进至多伦，保持张垣安全。然后再转移兵力，增援南口”，并将此意电告阎锡山。但阎复电：“即率大军增援南口。”又派王靖**长传达命令：“先解南口之危。”傅作义即遵命而行。

日军第5师团参战，使中国第13军防线处于危境。18日，傅作义率第72师及第100旅、第211旅和独立第7旅，由柴沟堡增援南口作战。蒋介石急令卫立煌部迅速向周口店集中，增援南口、怀来地区作战。令汤恩伯：固守现有阵地，最后必须死守怀来，待援出击。

19日是南口作战最激烈的一天。敌我在黄楼院、禾子涧、砂锅铺、850高地一带反复争夺。一日之间，中**队伤亡1,200余人。这天，居庸关方面日军突入关南门，后被击退。

20日，傅作义到怀来前线指挥部与汤恩伯等商定，以第72师及独立第7旅出击突入黄楼院之敌，将敌击退后，即将这两部兵力转用于张垣，以恢复张北。但18日、19日，张家口形势发生变化，由张北反攻的关东军“察哈尔派遣兵团”（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。

日军发现卫立煌第14集团军北进增援南口，即派第6师团第36旅团进行阻击。22日，第14集团军在涿县一带与第36旅团遭遇，一部兵力与敌激战，主力继续北进。战至24日，将日军第36旅团一部击退。21日拂晓，日军向横岭城发动攻击；22日，一部日军突入横岭城南方高地。23日，向镇边城迂回的日军与第72师第416团展开激战。日军将该团击退占领了镇边城，并占领横岭城守军阵地后方的水头村。

23日夜间，汤恩伯下令再次调整部署、紧缩战线、固守据点，并呈报蒋介石：“居庸关为第1固守点，由第21师及第89师守备；横岭城为第2固守点，由第72师及第4师守备；延庆为第3固守点，由第94师守卫备；怀来为第4固守点，由独立第7旅守备。”汤恩伯严令：“非有命令不得移动或放弃。”24日，蒋介石复电汤恩伯：“我军既退守各据点，务令各级主官激励所部，死守勿退。”