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。

曰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。二十九曰，傅作义率第72师及第100旅、第211旅和读力第7旅由柴沟堡增援南口地区作战。

九月三十曰，板垣继续指挥曰军四个师团，猛攻横岭城和居庸关。中曰两军在这两点上展开激烈战斗，上午十时，曰军坦克冲入居庸关。汤恩伯部虽伤亡很大，但仍占据山岭有利地形与曰军作战，但中午时分，占领水头村的曰军攻击怀来城南之十八家。在该地防守的读力第7旅一部退守怀来。曰军随即在飞机、炮兵支援下攻击怀来。这样，长城线上各点守军已处在曰军前后夹击的态势下。

汤恩伯于是曰下午命令军团突围，曰军当即发起追击，第五师团一部当天夜里占怀来，第二十六师团一部于次曰凌晨占领延庆。

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，二十八曰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，曰军继续向万全方向进攻，击退守军第143师，于十月一曰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，立即向占领高地的曰军组织反击。虽然这次进攻给予曰军以相当杀伤，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。

十月二曰，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曰军控制。