1937年7月30日，平津沦陷。日军大本营决定开启全面侵华战争，提出“三个月亡华”狂言。侵华日军决定采取“速战速决”的战略，在南北两个主战场同时开战，沿铁路线长驱直入。以重兵歼灭国军精锐部队，攻占国民政府政治经济中心地区。这一战略计划，与最后一任德国军事顾问团长法肯豪森于1935年8月《关于中国抗日战备之两份建议书》中;提出的日军全面侵华进攻预测完全一致。
1.“意料之外”的南口会战
为加强华北日军力量，日军大本营先后从本土紧急动员了甲种精锐第5，第8，第10师团赶赴华北，企图以精锐重兵沿平汉线，津浦线快速南下;与平津以南国军主力进行决战。在击破国军主力后，进占保定，独流镇一线，再伺机南下与华中日军会合。而平绥线方面，日军原计划派独立混成第11旅团集结在南口和北平之间;监视该方向国军部队动向，进而占领南口，以保证平汉线作战之右翼安全。
日军的作战意图，被国民政府军事委员会准确判断后。急调汤恩伯第13军抢先进占南口布防，并直接威胁日军平汉线行动;而日本关东军南下部队，坚持向平绥线挺进。侵华日本便决定先派独立混成第11旅团及板垣征四郎第5师团沿平绥线向西攻击南口，以排除主力南下背后威胁。同时关东军也派出3个旅团组成的“察哈尔派谴兵团”，沿热河内蒙古一线直攻张家口;与独立混成第11旅团等部对平绥线上的国军形成东西夹击之势;日军行动代号“预料外的察哈尔作战”。
2.国军作战部署
平绥线是连接华北西北的大动脉，而南口的汤恩伯第13军正是插在日军攻入山西的屏障;又可威胁平津之日军。而张家口则是西北重镇，国民政府军事委员会预计日军会沿平绥线西犯，故对此防御颇为重视。
蒋介石在1937年7月30日，就致电绥远省主席傅作义，对局势作出分析：“平汉线与津浦线之正面作战，若不从察绥方面向敌侧背攻击，则战无了局。”次日，蒋又连发数次电报，直接布置察省防务。他命令汤恩伯第13军，高桂滋第17军(晋军)急速入察，协助察哈尔省主席兼第68军军长刘汝明(西北军)准备平绥线作战。
蒋还明令各部“俾部队一到，即可随时进入阵地作战，不致废时，总须我部队阵地深沟宽壕，使敌骑与唐(坦)克不能侵入阵地”;又命令刘汝明“从速将平绥线青龙桥，八达岭等处各要点铁路炸毁，勿使敌利用”。8月1日，蒋介石再令第7集团军从绥远和山西增援平绥线，委任傅作义为总司令，刘汝明为副总司令，汤恩伯为前敌总指挥。
3.汤恩伯率部两次击溃日军进攻
1937年8月初，日军独立混成第11旅团向南口附近开进，由于沿途洪水暴发，延缓了日军行动;使国军能够有更多时间备战，构筑防御工事。8月8日，日军先头部队千余人在重炮掩护下进攻南口;汤恩伯将军第13军凭险死守，成功击溃日军突击。日军遂采取多次攻击战术，以独立混成第11旅团全部主攻南口正面，第5师团一部绕出南口背后的居庸关，镇边城等处;关东军察哈尔派谴兵团经张北直攻张家口;大井支队从北方扑向延庆，;另有伪蒙军在商都一带活动，以牵制晋绥军骑兵第1军，其目的是截断平绥线，击破国军各部防线，以迅速结束战事;保证津浦，平汉线作战的顺利展开。
在南口方面，日军经过调整后;独立混成第11旅团于8月12日拂晓发动新一轮攻势。当天，日军主力五千余人在飞机，五六十门重炮及二三十辆坦克掩护下，同时向南口及其附近的得胜口，虎峪村，苏林口一线发起总攻。而国军第13军仅战车炮2门，重火力完全处于劣势;第13军官兵在汤恩伯将军指挥下顶着猛烈炮火，打得英勇顽强。在敌人重点攻击的南口正面，国军官兵身陷焦土，在被彻底轰毁的工事中拼死作战，誓死不退。
汤恩伯将军亲临第一线指挥，并激励部属“人生百年，终须一死”“我死则国生，我贪生则国死”;极大的鼓舞了士气。日军凭借强大的火力，一度冲入南口镇。当晚，在汤恩伯将军组织下，第13军即组织逆袭，成功将日军击溃，守住了南口。仅12日一天，中日双方各伤亡500余人。
4.第5师团出击，南口陷入拉锯战
独立混成第11旅团两次猛攻南口受挫，令日军震惊;便立即向该方面再次增派兵力。日军精锐第5师团主力投入战斗，由板垣征四郎统一指挥;国军方面深感南口“防线太长，兵力太单薄”，在日军优势兵力打击下恐难以持久，蒋介石电令阎锡山派兵增援第13军;但是阎反应冷淡。
1937年8月13日，国民政府军事委员会电令石家庄方面的李默庵第14军及陈铁第85师编成第14集团军，由卫立煌任总司令，紧急用列车运往易县，从北平以西山地向南口迂回;限令10天内到达，以驰援汤恩伯部。并电令孙连仲第1军团进占房山西北高地，掩护第14集团军的行动。同时，国军政府军事委会员又电令平绥线西段的第143师(刘汝明兼师长)反攻张北，崇礼城;骑兵第1军赵承绶部出去德化，商都和南壕堑等地，一面策应南口，一面消耗此处的日军，伪蒙军。蒋介石还直接电令晋绥军傅作义：“援助汤军，以全公私，勿使孤军受危，南口失陷。”
1937年8月13日，日军第三次向南口发起总攻;战斗到了白热化。日军先以炮火猛轰，然后以坦克突击;士兵则随战车冲入南口，火力远逊于日军的国军官兵不惧牺牲，与敌殊死血战，展开惨烈的肉搏争夺战，使得阵地得而复失，失而复得数次。双方战至14日，南口主阵地第13军一团官兵几乎全部壮烈殉国，阵地陷落。以后数天，日军趁势向南口左右两侧阵地发起疯狂突击;企图一举歼灭汤恩伯第13军。但国军官兵寸土不让，顽强阻敌;第13军遂陷入危局，但仍据险固守待援，并不时向日寇实施逆袭;南口会战遂陷入僵持。
5.日军改变进攻策略，张家口陷落
此时，第143师攻克崇礼并威逼张北城;晋绥军骑兵第1军在察北发起牵制性进攻，取得相当成果。而第7集团军总司令傅作义则率部乘火车急赴怀来支援南口。日军感到一时难以攻克南口，决定改变进攻策略;拿实力较弱的刘汝明部开刀，拿下张家之后再夹攻南口。
1937年8月20日，为便于全国抗战统一指挥;国民政府军事委员会将全国划分为5大战区，规定各战区的作战任务及方针。平绥线划归第2战区，其作战任务中心为：应以战区现有之兵力，最低限度，必须固守南口，万全之线。可是在日军精锐重兵猛攻下，国军各部根本无法贯彻实施，处处被动。
张家口是平绥线上的战略重镇，又是察哈尔省府所在地;由刘汝明第68军镇守，该军实力较弱，其主力第143师在收复崇礼后，正在张北周围地区追击敌军;不料突遭从西北扑向张家口的日本关东军察哈尔派谴兵团反击，顿时陷入被动，很快转攻为守。该地国军部队本来就薄弱，刘汝明又分兵把守，没有集中收缩兵力，很快被日军轻易击穿防线兵临张家口。
1937年8月21日，日军集中重兵猛攻张家口。当时天气恶劣倾盆大雨，国军守城部队泡在泥泞的水中抗击敌军;战况甚为激烈。火力占据绝对优势的日军，选择国军较弱的右翼为主攻方向，一举突入城内。刘汝明因兵力不足，未能组织有效的反击，而傅作义曾率两个旅由下花园等处回援张家口，但均被日军击退。8月27日，张家口沦陷;刘汝明奉命率残部向宣化，涿鹿一带突围，后撤向洋河南岸。其后傅作义率部试图反攻张家口，但遭到日军重兵反攻;受挫撤退至柴沟堡。
6.汤恩伯陷入绝境，被迫弃守南口
日军攻占张家口后，即沿平绥线快速东进;以夹击南口一线的汤恩伯将军第13军，汤恩伯不得不收缩防线，苦守延庆，居庸关，怀来等要点。凭长城天险抵抗，等待援军。1937年8月23日，日军精锐第5师团经镇边城攻陷第13军司令部所在地怀来。此时，增援的卫立煌第14集团军先头部队虽赶到青石镇，与镇边城日军展开激战。对日军第5师团侧背发起冲击，令日军震惊不小。但在渡过永定河时遇阻，且通信器材不全;未能与汤恩伯第13军取得联络，也未能阻敌前进。
1937年8月25日，南口及周边要点全失;第二天，蒋介石仍希望13军能守住南口;电令汤恩伯：“必须死守现地，切勿再退;否则，到处皆是死地，与其退而死，不如固守而死，况固守以待卫军(卫立煌)之联络，即是生路”。然而此时，第13军已苦战18天;伤亡近半，和卫立煌部又一直联系不上。汤决定违抗蒋死守命令，向桑乾河南岸突围。至此，南口失守，平绥段东段全被日军占领;日军趁势占领察哈尔全境，山西门户大开;山西抗战开始!
