發生過程：

湯恩伯所部第13軍於8月初進入南口地區布防，隨即與日本中國駐屯軍獨立混成第11旅團約15000人的進攻展開戰鬥。在此之前，日軍旅團派出小分隊從4日開始，在南口鎮實施戰役偵察，又於8日拂曉對得勝口，9日對虎峪村實施威力搜索，10日起攻擊南口車站及其東側的龍虎台。

11日，日軍對南口地區展開正式攻擊。其主力猛攻南口鎮，另以1個大隊(阪田支隊)向南口鎮西側地區長城線助攻，並以一部在得勝口佯攻。日軍步兵在飛機、炮兵、坦克支援下猛攻守軍陣地。守軍第89師憑有利地形頑強抵抗。經激戰，日軍於13日攻占南口鎮，但在繼續發展進攻時受到守軍的頑強阻擊。戰至16日，日軍的進攻進展甚微。

日本中國駐屯軍令第5師團於16日加入南口地區的戰鬥，並以該師團師團長板垣徵四郎一併指揮第11旅團作戰。第5師團首先以步兵第42聯隊第1大隊增援，在阪田支隊左側展開向長城線上中國守軍攻擊。

在此之前，湯恩伯已令第4師一部在長城線上的橫嶺城占領陣地；16日，又令新增援的第94師第56團與第21師第122團合編為1個支隊，在石峽附近沿長城線占領陣地。

17日，日軍步兵第42聯隊第1大隊奪取了長城防線上的最高峰1390高地。隨後，日軍第5師團主力逐次展開於1390高地至鎮邊城之間，向守軍發動攻擊，並將1050高地附近作為主要突擊方向。

在此情況下，湯恩伯又令第4師第12旅加入橫嶺附近的戰鬥。18日，傅作義率第72師、第200旅、第211旅和獨立第7旅增援到達懷淶、下花園地區，以增強南口地區的防禦力量。蔣中正也急令衛立煌所部第14集團軍經易縣、淶水迅速向周口店一帶集中，並增援南口、懷淶地區作戰；另令位於平漢、津浦路的部隊以一部兵力向平、津之間出擊，以配合衛立煌軍北進。

19日，湯恩伯下令將得勝口、居庸關、鎮邊城一線陣地區分為3個固守區。得勝口、居庸關、青龍橋一帶為第1固守區，由第89師及新到達的第17軍第21師第121、第124團防守；東西大嶺及黃樓院一帶為第2固守區，由第21師一部及第4師第10旅防守；北石嶺、東台、橫嶺城、鎮邊城一帶為第3固守區，由第4師(欠第10旅)、第72師1個旅防守。

20日，傅作義在懷淶準備組織兵力向攻擊南口地區的日軍實施反擊，但這時得悉察北日本關東軍察哈爾派遣兵團向張家口發起攻擊。於是，傅率第200旅、第211旅回援張家口，留第72師和獨立第7旅歸湯恩伯指揮，在南口地區作戰。

日本中國駐屯軍發現衛立煌第14集團軍北進增援南口後，即派第6師團第36旅團編成牛島支隊，進入門頭溝以西山地堵擊；令第20師團進入良鄉西北山岳地帶，向守衛在乎漢線及其西側的中國第26路軍攻擊。

19日，衛立煌第14集團軍在周口店集結，爾後經西部山地北進。

在居庸關與鎮邊城一線正面，21日拂曉，日軍向橫嶺城方面發動攻擊。其主力一部向黃土窪及其以東高地猛攻。守軍第4師第19團第1營傷亡殆盡。戰至中午，第4師傷亡慘重。第72師第415團增援，固守灰嶺子、長峪城之線。

22日，日軍一部突入長峪城北沿守軍陣地。第72師第416團增援反擊，將所失陣地奪回。爾後，日軍向灰嶺子第72師陣地正面攻擊，並以一部向鎮邊城迂迴，一部突入橫嶺城南方高地。22日第14集團軍右翼第83師在乾軍台與日軍牛島支隊一部遭遇，當即展開戰鬥。戰至24日，第83師留1部兵力繼續在千軍台與日軍作戰外，主力繼續北進，但進至沿河緘時，被永定河洪水所阻，即改道青白石向大村西側前進。該軍左翼第10師於24日將牛島支隊另一部擊潰於大村。

23日，向鎮邊城西南迂迴的日軍與第72師第416團展開激戰。日軍將該團擊退後，占領鎮邊城，並占領橫嶺城守軍陣地後方的水頭村。

25日，日軍猛攻橫嶺城和居庸關。中、日兩軍在這兩點上展開激戰。當日15時，日軍坦克衝入居庸關。守軍雖傷亡慘重，但仍占據山嶺有利地形與日軍作戰。當日，占領水頭的獨立第7旅與日軍戰鬥後退守懷淶。日軍隨即在飛機、炮兵支援下攻擊懷淶。正面長城線上守軍已處於被日軍包圍態勢下。

26日，下午，湯恩伯下令守軍突圍。日軍立即發起追擊，第5師團一部當日占領懷淶。27日，獨立混成第11旅團一部占領延慶。當衛立煌軍第10師進抵鎮邊城時，戰鬥已經結束。27日，張家口也被日本關東軍占領。

此戰，歷時19日，中國方面投入兵力6萬餘人，日軍動用兵力約有7萬，中國軍隊傷亡29376人，日軍傷亡據日方統計：第5師團陣亡1431人（其中非戰鬥死亡173人），加上獨立混成第11旅團等部隊的損失，日軍死亡約2000人。以1:4的傷亡比來算，日軍傷亡約1萬人。

歷史影響：

在南口戰役中，國軍與日軍浴血奮戰直至張垣失守，雖然在後路將被切斷時退出了南口。但南口戰役，仍在抗戰史上有重要的歷史意義。

南口戰役和當時進行的淞滬會戰，顯示出日本帝國主義侵占全中國的圖謀已暴露無遺，蔣中正決心由應戰轉為抗戰，因而對談判已一年有餘的國共合作抗戰問題，其態度積極起來，9月23日，蔣中正發表廬山談話，宣布承認中國共產黨的合法地位。因此，南口戰役促進了第二次國共合作正式形成。

同時，在南口戰役中，日軍受到激烈抵抗，損失不小，嚴重打亂了日軍的作戰計劃，使其三月亡華的神話破滅。