南口及其沿線長城要隘是阻擊日軍的天然屏障，中國方面在此布置重兵防守。1937年8月7日，日軍第5師團和獨立混成第11旅向南口及其沿線長城要隘展開進攻，南口戰役打響。中國守軍在湯恩伯將軍沉著堅定的指揮下，在各個陣地均與日軍展開激烈爭奪，反復沖殺，甚至一日之內守軍傷亡1200余人。戰事異常激烈，但在優勢日軍以飛機、坦克、大炮的配合攻擊下，中國軍隊處于不利情勢。南口戰役的同時，日軍察哈爾派遣兵團向西北重鎮張家口展開進攻，中國守軍一部馳援張家口。加之中國來援軍隊被日軍阻斷，中國軍隊遂于8月26日向南撤退，27日，日軍左翼第5師團和右翼獨立混成第11旅分別占領南口附近重鎮懷來、延慶，南口戰役結束。

湯恩伯所部第13軍于8月初進入南口地區布防，隨即與日本中國駐屯軍獨立混成第11旅團約15000人的進攻展開戰斗。在此之前，日軍旅團派出小分隊從4日開始，在南口鎮實施戰役偵察，又于8日拂曉對得勝口，9日對虎峪村實施威力搜索，10日起攻擊南口車站及其東側的龍虎臺。

11日

日軍對南口地區展開正式攻擊。其主力猛攻南口鎮，另以1個大隊(坂田支隊)向南口鎮西側地區長城線助攻，并以一部在得勝口佯攻。日軍步兵在飛機、炮兵、坦克支援下猛攻守軍陣地。守軍第89師憑有利地形頑強抵抗。經激戰，日軍于13日攻占南口鎮，但在繼續發展進攻時受到守軍的頑強阻擊。戰至16日，日軍的進攻進展甚微。

日本中國駐屯軍令第5師團于16日加入南口地區的戰斗，并以該師團師團長板垣征四郎一并指揮第11旅團作戰。第5師團首先以步兵第42聯隊第1大隊增援，在坂田支隊左側展開向長城線上中國守軍攻擊。

在此之前，湯恩伯已令第4師一部在長城線上的橫嶺城占領陣地;16日，又令新增援的第94師第56團與第21師第122團合編為1個支隊，在石峽附近沿長城線占領陣地。

17日

日軍步兵第42聯隊第1大隊奪取了長城防線上的最高峰1390高地。隨后，日軍第5師團主力逐次展開于1390高地至鎮邊城之間，向守軍發動攻擊，并將1050高地附近作為主要突擊方向。

在此情況下，湯恩伯又令第4師第12旅加入橫嶺附近的戰斗。18日，傅作義率第72師、第200旅、第211旅和獨立第7旅增援到達懷淶、下花園地區，以增強南口地區的防御力量。蔣介石也急令衛立煌所部第14集團軍經易縣、淶水迅速向周口店一帶集中，并增援南口、懷淶地區作戰;另令位于平漢、津浦路的部隊以一部兵力向平、津之間出擊，以配合衛立煌軍北進。

19日

湯恩伯下令將得勝口、居庸關、鎮邊城一線陣地區分為3個固守區。得勝口、居庸關、青龍橋一帶為第1固守區，由第89師及新到達的第17軍第21師第121、第124團防守;東西大嶺及黃樓院一帶為第2固守區，由第21師一部及第4師第10旅防守;北石嶺、東臺、橫嶺城、鎮邊城一帶為第3固守區，由第4師(欠第10旅)、第72師1個旅防守。

20日，傅作義在懷淶準備組織兵力向攻擊南口地區的日軍實施反擊，但這時得悉察北日本關東軍察哈爾派遣兵團向張家口發起攻擊。于是，傅率第200旅、第211旅回援張家口，留第72師和獨立第7旅歸湯恩伯指揮，在南口地區作戰。

日本中國駐屯軍發現衛立煌第14集團軍北進增援南口后，即派第6師團第36旅團編成牛島支隊，進入門頭溝以西山地堵擊;令第20師團進入良鄉西北山岳地帶，向守衛在乎漢線及其西側的中國第26路軍攻擊。

19日

衛立煌第14集團軍在周口店集結，爾后經西部山地北進。

在居庸關與鎮邊城一線正面，21日拂曉，日軍向橫嶺城方面發動攻擊。其主力一部向黃土洼及其以東高地猛攻。守軍第4師第19團第1營傷亡殆盡。戰至中午，第4師傷亡慘重。第72師第415團增援，固守灰嶺子、長峪城之線。

22日

日軍一部突入長峪城北沿守軍陣地。第72師第416團增援反擊，將所失陣地奪回。爾后，日軍向灰嶺子第72師陣地正面攻擊，并以一部向鎮邊城迂回，一部突入橫嶺城南方高地。22日第14集團軍右翼第83師在干軍臺與日軍牛島支隊一部遭遇，當即展開戰斗。戰至24日，第83師留1部兵力繼續在千軍臺與日軍作戰外，主力繼續北進，但進至沿河緘時，被永定河洪水所阻，即改道青白石向大村西側前進。該軍左翼第10師于24日將牛島支隊另一部擊潰于大村。

23日

向鎮邊城西南迂回的日軍與第72師第416團展開激戰。日軍將該團擊退后，占領鎮邊城，并占領橫嶺城守軍陣地后方的水頭村。

25日

日軍猛攻橫嶺城和居庸關。中、日兩軍在這兩點上展開激戰。當日15時，日軍坦克沖入居庸關。守軍雖傷亡慘重，但仍占據山嶺有利地形與日軍作戰。當日，占領水頭的獨立第7旅(欠第620團)與日軍戰斗后退守懷淶。日軍隨即在飛機、炮兵支援下攻擊懷淶。正面長城線上守軍已處于被日軍包圍態勢下。

26日

下午，湯恩伯下令守軍突圍。日軍立即發起追擊，第5師團一部當日占領懷淶。

27日

獨立混成第11旅團一部占領延慶。當衛立煌軍第10師進抵鎮邊城時，戰斗已經結束。27日，張家口也被日本關東軍占領。

此戰，歷時19日，中國方面投入兵力6萬余人，日軍動用兵力約有7萬，中國軍隊傷亡29376人，日軍傷亡據日方統計：第5師團陣亡1431人(其中非戰斗死亡173人)，加上獨立混成第11旅團等部隊的損失，日軍死亡約2000人。以1：4的傷亡比來算，日軍傷亡約1萬人。

南口作戰雖然失敗了，但中國守軍英勇頑強、不怕犧牲的精神值得稱頌，影響也是很大的。