蒋介石也急令卫立煌所部第14集团军经易县、涞水迅速向周口店一带集中，并增援南口、怀涞地区作战;另令位于平汉、津浦路的部队以一部兵力向平、津之间出击，以配合卫立煌军北进。19日，汤恩伯下令将得胜口、居庸关、镇边城一线阵地区分为3个固守区。得胜口、居庸关、青龙桥一带为第1固守区，由第89师及新到达的第17军第21师第121、第124团防守;东西大岭及黄楼院一带为第2固守区，由第21师一部及第4师第10旅防守;北石岭、东台、横岭城、镇边城一带为第3固守区，由第4师(欠第10旅)、第72师1个旅防守。

20日，傅作义在怀涞准备组织兵力向攻击南口地区的日军实施反击，但这时得悉察北日本关东军察哈尔派遣兵团向张家口发起攻击。于是，傅率第200旅、第211旅回援张家口，留第72师和独立第7旅归汤恩伯指挥，在南口地区作战。日本中国驻屯军发现卫立煌第14集团军北进增援南口后，即派第6师团第36旅团编成牛岛支队，进入门头沟以西山地堵击;令第20师团进入良乡西北山岳地带，向守卫在乎汉线及其西侧的中国第26路军攻击。19日，卫立煌第14集团军在周口店集结，尔后经西部山地北进。

在居庸关与镇边城一线正面，21日拂晓，日军向横岭城方面发动攻击。其主力一部向黄土洼及其以东高地猛攻。守军第4师第19团第1营伤亡殆尽。战至中午，第4师伤亡惨重。第72师第415团增援，固守灰岭子、长峪城之线。22日，日军一部突入长峪城北沿守军阵地。第72师第416团增援反击，将所失阵地夺回。尔后，日军向灰岭子第72师阵地正面攻击，并以一部向镇边城迂回，一部突入横岭城南方高地。22日第14集团军右翼第83师在干军台与日军牛岛支队一部遭遇，当即展开战斗。

战至24日，第83师留1部兵力继续在千军台与日军作战外，主力继续北进，但进至沿河缄时，被永定河洪水所阻，即改道青白石向大村西侧前进。该军左翼第10师于24日将牛岛支队另一部击溃于大村。23日，向镇边城西南迂回的日军与第72师第416团展开激战。日军将该团击退后，占领镇边城，并占领横岭城守军阵地后方的水头村。25日，日军猛攻横岭城和居庸关。中、日两军在这两点上展开激战。当日15时，日军坦克冲入居庸关。守军虽伤亡惨重，但仍占据山岭有利地形与日军作战。

当日，占领水头的独立第7旅(欠第620团)与日军战斗后退守怀涞。日军随即在飞机、炮兵支援下攻击怀涞。正面长城线上守军已处于被日军包围态势下。26日，下午，汤恩伯下令守军突围。日军立即发起追击，第5师团一部当日占领怀涞。27日，独立混成第11旅团一部占领延庆。当卫立煌军第10师进抵镇边城时，战斗已经结束。27日，张家口也被日本关东军占领。

此战，历时19日，中国方面投入兵力6万余人，日军动用兵力约有7万，中国军队伤亡29376人，日军伤亡据日方统计：第5师团阵亡1431人(其中非战斗死亡173人)，加上独立混成第11旅团等部队的损失，日军死亡约2000人。以1:4的伤亡比来算，日军伤亡约1万人。南口作战虽然失败了，但中国守军英勇顽强、不怕牺牲的精神值得称颂，影响也是很大的。