傅作义召集幕僚研究，认为敌军察哈尔兵团威胁巨大，自己以一个集团军之力据守察北已经很吃力，更遑论增援南口，但阎锡山派王靖**长下达死命令，傅作义迫不得已，表示服从上命，将派出部队支援南口前线。
敌军四个师团及四个混成旅团的轮战，使得汤恩伯二十军团防线处于岌岌可危的境地，全线处于交战状态。二十九日，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地区作战。
九月三十日，板垣继续指挥敌军四个师团，猛攻横岭城和居庸关。两国两军在这两点上展开激烈战斗，上午十时，敌军坦克冲入居庸关。汤恩伯部虽伤亡很大，但仍占据山岭有利地形与敌军作战，但中午时分，占领水头村的敌军攻击怀来城南之十八家。在该地防守的独立第7旅一部退守怀来。敌军随即在飞机、炮兵支援下攻击怀来。这样，长城线上各点守军已处在敌军前后夹击的态势下。
汤恩伯于是日下午命令军团突围，敌军当即发起追击，第五师团一部当天夜里占怀来，第二十六师团一部于次日凌晨占领延庆。
在板垣发起南口攻势、傅作义部南下增援之际，察哈尔派遣兵团司令官东条英机立即发起察北攻势，二十八日夜间向张家口发动进攻，迅即突破刘汝明第68军防守的长城防线，占领神威台，随后，敌军继续向万全方向进攻，击退守军第143师，于十月一日进至张家口西南高地，并占领了孔家庄车站，再次切断平绥路。
此时，傅作义率领增援南口方面的两个旅返回张家口，立即向占领高地的敌军组织反击。虽然这次进攻给予敌军以相当杀伤，但反击未能奏效，刘汝明所部向天镇、蔚县撤退。傅作义部退守柴沟堡。
十月二日，张家口失陷。
随后，察哈尔兵团下令，向下花园方向追击，与西进的板垣第一军会合，张家口以东平绥铁路及其以北地区完全为敌军控制。
几乎没有任何停留，板垣征四郎与东条英机商定，以察哈尔兵团攻略绥远，第一军南下，进攻河北西部地区。
随后，板垣以第五、第二十六、第一二师团为主攻部队，第一三师团为战略预备队，分别从宣化、新保安、怀来附近开始向花稍营（今化稍营）、西合营一线进攻。其左纵队第二十六师团前进途中在桑园附近为河水、烂泥所阻，不得已并入中央纵队前进。中央纵队第五师团和右纵队第一二师团于三日后进抵花稍营与西合营一线。
尔后，板垣即令中央纵队攻击广灵附近的中国守军阵地。右纵队第一二师团从阳原附近向广灵之西实施迂回。此时，在蔚县担任防御的第68军部未与进攻的敌军接触，即擅自撤退。汤恩伯立即令第17军高桂滋部从广灵派一个团跑步前往蔚县填防。该团跑步到达距蔚县七八里时，敌军骑兵第5联队已进入蔚县县城。同日，敌军占领涞源以北的伊家堡和同沟。
某国关东军察哈尔派遣兵团在与第一军分道扬镳后，即向天镇方面进攻。阎锡山判断某国关东军三个师团主力，将分三路从兴和、天镇、东井集进攻大同，他决定诱敌进入大同东面的聚乐堡“国防阵地”地区，集结强大兵团于南翼的浑源、东井集间和北翼的绥东丰镇、兴和间，发动南北钳击，并以骑兵集团向张家口挺进，实施“大同会战”，于是命令第61军在西湾堡、天镇、阳高地区阻止敌人前进。第61军军长李服膺接到在天镇、阳高方面固守的任务后，立即在该地布防。
十月八日，集结在永嘉堡的敌军第一师团，向位于砖窑村的第61军警戒阵地发动攻击，战至午时，第一师团在三十余架飞机和炮兵的支援下又向天镇城东的李家山、罗家山发动攻击。至下午，形成对峙之势。次日，某国关东军向天镇守军发动全线攻击，攻占城东南的盘山，激战数小时后，守军除