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20日，傅在怀来准备组织兵力向攻击南口地区的曰本鬼子实施反击，但这时得悉察北曰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。
曰本华夏驻屯军发现卫第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华夏第26路军攻击。
19日，卫第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，曰本鬼子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，曰本鬼子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，曰本鬼子向灰岭子第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师在干军台与曰本鬼子牛岛支队一部遭遇，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曰本鬼子作战外，主力继续北进，但进至沿河城时，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曰本鬼子与第72师第416团展开激战。曰本鬼子将该团击退后，占领镇边城，并占领横岭城守军阵地后方的水头村。
25日，曰本鬼子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，曰本鬼子坦克冲入居庸关。守军虽伤亡惨重，但仍占据山岭有利地形与曰本鬼子作战。当日，占领水头的独立第7旅(欠第620团)与曰本鬼子战斗后退守怀来。曰本鬼子随即在飞机、炮兵支援下攻击怀来。正面长城线上守军已处于被曰本鬼子包围态势下。
26日，下午，汤下令守军突围。曰本鬼子立即发起追击，第5师团一部当日占领怀来。
27日，独立混成第11旅团一部占领延庆。当卫军第10师进抵镇边城时，战斗已经结束。27日，张家口也被曰本关东军占领。