八日晚，汤恩伯决定放弃南口车站，把防御重点放在龙虎台。部队刚刚调整完毕，九日拂晓炮声再起。还是在坦克的掩护下，日军再次向南口正面阵地发起攻势。双方激烈攻守已经持续了四天之久，日军开始加强步炮协同，使用小兵力多路渗透的战术令伤亡逐渐减少，而中国守军的伤亡却在不断增加。师长王促廉组织了一些小型机动部队，无论白天还是夜间，不断地出击对日军进行猛烈袭扰，日军面对突然再次增加的伤亡，攻击开始放缓。
十一日，日军第十一混成旅团主力继续对南口实施攻击，另派一部向南口西侧的长城线实施助攻。中国守军的每一个阵地上都发生了近距离的肉搏战，到天色昏暗时中国守军已经伤亡数百人。第二天，日军的增援部队抵达战场。日军立即集中起五千多步兵、三十多辆坦克和大量的火炮，向南口、虎峪等中国守军阵地发起全线进攻。在残酷的拉锯战中，目睹着尸横遍野的景象，前沿上的中国官兵打红了眼，明知不可为就是要拼死舍身为之，这种残酷的血战令中国守军几近疯狂，而日军因此遭遇了他们不曾预料到的顽强抗击。最终，尽管付出了很大代价，日军对南口的攻击仍未取得进展。
战至十三日，汤恩伯命令放弃南口一线阵地，一线所剩部队向北后退，移至八达岭和居庸关的主阵地上。陷于南口苦战中的汤恩伯极其焦虑。作为中央军将领，蒋介石耳提面命，作战不敢有半点马虎。可是，照这样打下去，自己起家的老底子第十三军肯定就要打光了。但如果南口丢失，脑袋可能就要被自己挥霍了，那时候家底同样不存在了。这实在是进退两难之事。眼下，汤恩伯除了指挥作战之外，最重要的是不断地催促增援部队。
卫立煌的第十四集团军已经从保定出动，正在急速北上以期增援南口战场。由于平津失陷，卫立煌的部队无法由铁路或公路直接运送，只有绕道北平以西的山地。蒋介石命令孙连仲的第一军团派一部分兵力抢先占领房山西北面的高地，以掩护第十四集团军北上；接着蒋介石又致电傅作义，要求他从绥远出动增援汤恩伯的第十三军。在平缓前线的汤恩伯，接到死守南口的命令的同时获悉张治中在上海战场也与日军血拼上了。接着，他终于等来了一部分援军：朱怀冰的第九十四师和李仙洲的第二十一师。但是，从日本本土开来的日军第五师团也抵达了战场。第五师团是日本陆军的精锐部队，该师团加入战斗序列后，中国守军的防线危在旦夕。
十六日，日军新一轮的攻击开始。居庸关的正面是第八十九师五三四团，右翼是五三二团，师长王仲廉的指挥部就设在关上。当日军集中兵力和火力发起强攻时，中国守军的主要阵地相继丢失，从而导致防御线全线动摇。中国守军的勤杂人员、炊事兵和马夫都参加了搏斗。直到李仙洲的增援部队抵达后，阵地才被暂时稳定。这个时候，日军突然放缓了对居庸关的攻击---日军改变了主攻方向和战术：第五师团出动直扑长城关口，其第二十一旅团的第四十二联队快速攻占了长城防线上的最高峰一三九0高地，随即居高临下开始攻击从一三九0高地至镇边城间的各个要隘。日军企图以侧翼迂回的战术突破中国守军的长城防线，夺取怀来，切断居庸关方向中国守军的退路，瓦解中国军队的整个防线。
至此，第十三军第四师的防线也开始承受巨大压力。汤恩伯还在不断地求援。第二战区司令长官阎锡山命令傅作义增援第十三军。此前，阎锡山曾命令刘汝明的第六十八军和赵承绶的骑兵第一军向张北、商都一带的伪蒙军实施攻击，以策应南口方向的作战。傅作义向商都发起了猛攻， 并最终以伤亡官兵两百余人的战果收复商都。但是，刘汝明却没有执行阎锡山的命令。刘汝明的自保，使得张家口的侧背处在日军的威胁之下。因此，当阎锡山命令傅作义再次增援时，傅作义认为张家口的暴露令他无法确保部队迅速抵达南口方向，但他可以再次出击张北，以加强张家口侧背的安全。傅作义的建议遭到阎锡山的斥责。不得已，傅作义率第七十二师及第二00旅行、第二一一旅和独立第七旅驰援南口方向。
这时候，卫立煌的增援部队已经接近周口店一线。十九日，第十三军的全线防御阵地都遭到日军空前猛烈的攻击，几乎每一个阵地上都出现了近距离的肉搏战，以致一天之内拼死抵抗的中国守军伤亡达一千二百人以上。二十日，傅作义赶到了怀来。这是居庸关与张家口之间的一个小城，汤恩伯的前敌指挥部就设在这里。傅作义和汤恩伯紧急商讨战场局势。就在这时候，卫立煌的电报到了，说他指挥的第十师、第八十三师和第八十五师已分别从涿县、周口店和涞水兼程北上，预计二十一日抵达战场。傅作义和汤恩伯立即商定当援军到达后如何对当面日军实施反击以期把日军赶出整个长城线。汤恩伯终于松了一口气，第十三军苦日子就要结束了。
但是，谁也没有料到，战场形势竟然瞬间急转直下。傅作义一直担心的张家口方向突然出现了巨大危机：由强悍的关东军组成的察哈尔兵团，在参谋长东条英机中将的率领下，已从察北方向直扑张家口。关东军察哈尔兵团一个步兵支队十三日到达沽源，一个步兵大队十四日到达张北，另一个混成旅团十八日从通州出发目的地是万全----关东军已经从张家口的东北和西北方向全线压来，一旦占领张家口，就能与从居庸关向北进攻的第五师团会合，彻底打通平绥线。
张家口的中国守军，主力是刘汝明的第六十八军。二十日，关东军察哈尔兵团以第二混成旅团为前锋，在飞机和坦克的协助下向张北地区实施突击。刘汝明部的保安第二旅抵挡不住，旅长马玉田阵亡，官兵死伤数百，退守至距张家口八十里的神威台阵地。二十三日，日军攻击神威台，同时迂回万全。神威台的中国守军在三名营长相继阵亡后丢失了阵地。关东军沿着公路开始向张家口急进，张家口的失陷只是时间问题了。
为了保住张家口，准备增援南口方向的傅作义的部队半路返回，而汤恩伯日夜盼望的卫立煌的部队也没能如期抵达。卫立煌的部队刚一动身就遭到日军的顽强阻击。卫立煌的第八十三师一起苦战到二十四日才得以摆脱日军。几近绝望的汤恩伯紧急缩短战线，他将防区分成了几个固守的据点。汤恩伯的命令是：没有命令不得退却。蒋介石的命令是：死守勿退。但是，横岭城方向，镇边城方向，中国守军皆因伤亡殆尽终致阵地失守。二十五日下午，日军坦克冲过了居庸关。二十五日夜，汤恩伯急电蒋介石报告战况。蒋介石对汤恩伯的回复是：反正是一死，逃跑而死，不如固守而死。汤恩伯不想死。二十六日十三日三十分，他下达了南口守军全军突围的命令。