傅作義召集幕僚研究，認為敵軍察哈爾兵團威脅巨大，自己以一個集團軍之力據守察北已經很吃力，更遑論增援南口，但閻錫山派王靖**長下達死命令，傅作義迫不得已，表示服從上命，將派出部隊支援南口前線。

敵軍四個師團及四個混成旅團的輪戰，使得湯恩伯二十軍團防線處於岌岌可危的境地，全線處於交戰狀態。二十九日，傅作義率第72師及第100旅、第211旅和獨立第7旅由柴溝堡增援南口地區作戰。

九月三十日，板垣繼續指揮敵軍四個師團，猛攻橫嶺城和居庸關。兩國兩軍在這兩點上展開激烈戰鬥，上午十時，敵軍坦克衝入居庸關。湯恩伯部雖傷亡很大，但仍佔據山嶺有利地形與敵軍作戰，但中午時分，佔領水頭村的敵軍攻擊懷來城南之十八家。在該地防守的獨立第7旅一部退守懷來。敵軍隨即在飛機、炮兵支援下攻擊懷來。這樣，長城線上各點守軍已處在敵軍前後夾擊的態勢下。

湯恩伯於是日下午命令軍團突圍，敵軍當即發起追擊，第五師團一部當天夜裡佔懷來，第二十六師團一部於次日凌晨佔領延慶。

在板垣發起南口攻勢、傅作義部南下增援之際，察哈爾派遣兵團司令官東條英機立即發起察北攻勢，二十八日夜間向張家口發動進攻，迅即突破劉汝明第68軍防守的長城防線，佔領神威臺，隨後，敵軍繼續向萬全方向進攻，擊退守軍第143師，於十月一日進至張家口西南高地，並佔領了孔家莊車站，再次切斷平綏路。

此時，傅作義率領增援南口方面的兩個旅返回張家口，立即向佔領高地的敵軍組織反擊。雖然這次進攻給予敵軍以相當殺傷，但反擊未能奏效，劉汝明所部向天鎮、蔚縣撤退。傅作義部退守柴溝堡。

十月二日，張家口失陷。

隨後，察哈爾兵團下令，向下花園方向追擊，與西進的板垣第一軍會合，張家口以東平綏鐵路及其以北地區完全為敵軍控制。

幾乎沒有任何停留，板垣徵四郎與東條英機商定，以察哈爾兵團攻略綏遠，第一軍南下，進攻河北西部地區。

隨後，板垣以第五、第二十六、第一二師團為主攻部隊，第一三師團為戰略預備隊，分別從宣化、新保安、懷來附近開始向花稍營（今化稍營）、西合營一線進攻。其左縱隊第二十六師團前進途中在桑園附近為河水、爛泥所阻，不得已併入中央縱隊前進。中央縱隊第五師團和右縱隊第一二師團於三日後進抵花稍營與西合營一線。

爾後，板垣即令中央縱隊攻擊廣靈附近的中國守軍陣地。右縱隊第一二師團從陽原附近向廣靈之西實施迂迴。此時，在蔚縣擔任防禦的第68軍部未與進攻的敵軍接觸，即擅自撤退。湯恩伯立即令第17軍高桂滋部從廣靈派一個團跑步前往蔚縣填防。該團跑步到達距蔚縣七八里時，敵軍騎兵第5聯隊已進入蔚縣縣城。同日，敵軍佔領淶源以北的伊家堡和同溝。

某國關東軍察哈爾派遣兵團在與第一軍分道揚鑣後，即向天鎮方面進攻。閻錫山判斷某國關東軍三個師團主力，將分三路從興和、天鎮、東井集進攻大同，他決定誘敵進入大同東面的聚樂堡“國防陣地”地區，集結強大兵團於南翼的渾源、東井集間和北翼的綏東豐鎮、興和間，發動南北鉗擊，並以騎兵集團向張家口挺進，實施“大同會戰”，於是命令第61軍在西灣堡、天鎮、陽高地區阻止敵人前進。第61軍軍長李服膺接到在天鎮、陽高方面固守的任務後，立即在該地佈防。

十月八日，集結在永嘉堡的敵軍第一師團，向位於磚窯村的第61軍警戒陣地發動攻擊，戰至午時，第一師團在三十餘架飛機和炮兵的支援下又向天鎮城東的李家山、羅家山發動攻擊。至下午，形成對峙之勢。次日，某國關東軍向天鎮守軍發動全線攻擊，攻佔城東南的盤山，激戰數小時後，守軍除