如前所述，关东军在攻占承德、赤峰等地之后，随即命令各部队扑向长城沿线。其部署是：第8师团由承德进攻古北口，混成第14旅团由平泉向喜峰口进击，混成第33旅团由凌南向界岭口、义院口推进，第6师团当时在赤峰一带，3月下旬转入冷口方面作战。
中国军队的防御部署是：根据2月初拟定的作战计划，石门寨至界岭口一线，由何柱国指挥所部第57军等防守；喜峰口一带由万福麟第53军一部驻守；古北口由第107师（原第7旅）王以哲部和第112师（原第12旅）张廷枢部驻防。并下令调西北军第29军宋哲元部编为第3军团，开赴喜峰口增援；晋军第32军商震部增援滦河一线，后转冷口方面。
在热河战事接连失利的情况下，蒋介石也不得已做出某种抗日姿态。下令调第2、第25、第83师北上，由第17军军长徐庭瑶指挥，加强华北防御。3月初，各部先后到达密云、通州等地集结。于是在古老的长城上，形成了东北军、西北军、晋军和中央军联合抗日的局面。中国军人以血肉之躯抵御外侮。
何应钦代北平军分会委员长后，秉承蒋介石的“一面抵抗，一面交涉”的方针，制定了一个消极防御计划，以长城和燕山为依托，自东至西做了纵深配置。3月15日，重新编成了华北抗日军战斗序列，共计7个军团，13个军（含骑兵军1个）、36个师（含骑兵师6个），又15个旅及军师直属部队，共约26万人。其部署是：第1军团于学忠部（辖第51军等）防守天津、大沽及津浦铁路；第2军团商震部（辖第32、第57军）担任滦河以东及冷口附近防务；第3军团宋哲元部（辖第29、第40军）负责喜峰口、马兰峪方向之防御；第4军团万福麟部（辖第57军等）在原驻地整理，以3个师协助第57军固守冷口以东要隘；第6军团张作相部（辖第41、第63军）和第7军团傅作义部（辖第59军、骑兵第1军）担任察东防务；第8军团杨杰部（辖第17、第26、第67军）担任古北口方面作战。
长城战役的过程大致可以分为四个阶段。第1阶段为长城关口争夺战。从3月上旬至3月18日关东军暂停攻击。第2阶段为冷口、滦东战役，从3月下旬至4月19日关东军下令撤归长城线。第3阶段为南天门、兴隆县战斗，从4月21日至月底我军撤出南天门。第4阶段为冀东、平北战役，从5月初至5月25日双方停止战斗。
二长城关口争夺战
长城在河北与热河接壤地段，通称长城东段。其古北口、罗文峪、喜峰口、冷口、界岭口等均有公路通过。故以上各关口首先成为敌我争夺之目标。
古北口争夺战。古北口扼承德至北平最近通道，长城在此成凸状，形势险要。在热河战役后期，东北军第107师王以哲部于长山峪激战时，张学良命第25师关麟征部由密云速援古北口。3月10日，关部到达古北口后，与王以哲商定，由第112师张廷枢部于古北口设一线阵地，25师占据第二线阵地。当日敌第8师团一部到达古北口后，即展开试探性攻击。11日，敌第8师团主力发起攻击，第112师未尽力抵抗后撤。敌即占领关口，并向25师右翼龙儿峪阵地包围攻击，关师长急率预备队增援，将敌击退。12日，敌再次发起猛攻，战况激烈，25师各部联络中断，各自为战。午后各部相继退至南天门阵地；敌未再追击。而后第2师接防南天门阵地，敌我形成对峙。
喜峰口争夺战。喜峰口为平泉至遵化之孔道；扼滦河上游，亦为险要之地。3月9日，奉命接防的第29军第37师冯治安部抵达喜峰口附近，即闻敌第8师团一部追击万福麟部至关门，便立即投入一个团进行战斗，稳定了关口战局。10日，第29军主力陆续赶到。10～11日，敌我双方在喜峰口两侧展开激战。我军虽然装备较差，但士兵敢于拼搏，手持大刀与敌短兵相接，使敌飞机、大炮失去效应。11日夜，我军主动出击，赵登禹、佟泽光两旅迂回夜袭敌军，摧毁敌炮兵阵地，予敌重创。敌受此打击，此后数日未有行动。17日敌增援部队到达后，再次发起攻击。我军因喜峰口正面过大，乃主动缩小战线。敌于18日攻占潘家口。此后敌守住既占关口，双方停止攻击。
罗文峪争夺战。该口位于喜峰口西南，有承德至遵化道路通过。敌于喜峰口受挫后，企图从罗文峪包抄我军。3月14日，敌第4旅团早川支队向罗文峪袭来。我军在关口内外有暂2师刘汝明部和骑兵第5旅，但骑5旅见敌进攻，不战自退。敌遂向刘部猛攻。我军依托城墙、碉楼，与敌激战数日，战士们手持大刀，与敌展开肉搏战，多次将敌击退。18日，我军迂回袭敌，迫敌向北退却。以至该口5公里内已无敌踪。
界岭口、义院口争夺战。界岭口由我军第4军团第116师缪澄流部防守。敌混成第33旅团到达该口后，于16日分两路向我进攻。我军前沿兵力较弱，稍事抵抗即后撤，敌突入关口内。而后敌以冈村支队确保界岭口，以人见支队转攻义院口。18日，我军进行反击，夺回界岭口。24日，敌复攻界岭口，我军不支后退。同时敌人见支队于20日向义院口发起进攻，由于该口地位突出，我军主动撤至邱子峪一带。以后两军处于相持状态。
冷口战斗。冷口位于界岭口与喜峰口之间，由第32军商震部担任防御任务。商震派第139师黄光华部于冷口一线设防。3月4日，敌一部已占关口，黄部闻知急进，途中与敌混成第14旅团米山先遣队遭遇，经过战斗，敌转向界岭口。我军出关进至萧家营子。中旬敌于喜峰口陷于苦战，为策应该方面作战，敌第6师团组成迎支队向冷口进犯，22日到达萧家营子与我139师一部接战，我军稍战即退至关口主阵地。后敌我互有攻击，终将敌逐出口外，于萧家营子一带采取守势。
至3月中旬，关东军相继攻占了古北口、喜峰口、界岭口等主要关口。武藤认为作战目的基本达到，于18日下达“关作命第488号”命令《经过》（二）第181～182页。；巩固占领关口态势。据此，关东军各部队暂时停止进攻，转而巩固关口防御，未向长城线以内进攻。长城关口争夺战暂时休战，长城沿线战役告一段落。
三冷口、滦东战役
滦东地区，北倚长城、东临渤海；滦河在喜峰口附近自西北向东南流入大海，形成一个三角地带。长城战役开始后，北平军分会认为该地突出，命何柱国部除以第115师和骑兵第3师扼守石门寨一线外；其主力撤至滦河西岸。
关东军在占领长城主要关口，稍作休整之后，认为必须对中国军队进行有力打击，完全占领长城沿线，决定再次发动攻势。3月27日发布“关作命第491号”命令，发动了冷口、滦东战役。从3月底开始，敌从喜峰口、冷口、界岭口、石门寨等4个方向展开进攻。
由独立守备队组成的岩田支队，于3月31日首先从石门寨发起进攻，守军115师、骑3师稍加抵抗退往海阳镇，敌跟踪追击，4日海阳镇亦失守。何柱国立即组织57军各部反攻，于7日夺回海阳镇。
冷口方面，敌从赤峰调来第6师团，并由混成第14、第33旅团各一部配合，于4月9日向我第32军商震部发起进攻，经三日激战，敌突破我军防线，我军退至滦河西岸；敌于建昌营集结。武藤见进攻冷口顺利，于11日下令“给敌以铁锤般打击，将其赶出滦东地区”。《经过》（二）第190页。于是，敌分数路向前推进。宫崎支队向抬头营方向东进，途中与我第119师孙德荃部交战，14日孙部后退。古谷支队向西推进，15日进占滦河边上的东营附近。神代支队南下追击，13日在永平东北遭我军阻击，后我军退往滦县，敌于17日追至昌黎西北才停止前进。
石门寨之敌也于11日以后反攻，因冷口失陷，界岭口动摇，何柱国部奉命向昌黎撤退，敌于15日侵占秦皇岛、北戴河。此间，第8师团采取牵制性攻击，以炮火轰击我望楼、南天门阵地。喜峰口敌混成第14旅团于7日起实施佯攻，12日敌集结重兵，在飞机配合下猛攻我滦阳高地，激战数日，得而复失，后我军撤至滦河西岸。界岭口敌混成第33旅团于4月10日开始向我军116、108师等部进攻，至13日，因冷口失守，界岭口左后背受敌，我军遂南撤。至17日敌攻占抚宁、昌黎。至此滦东地区被敌占领。
此次战役开始后，何应钦急调第67军王以哲部，以及高桂滋、翁照垣等部增援滦河一线。17日前后，以上各部及溃退我军集结于滦河西岸，统由第2军团长商震指挥。设立防线，伺机反攻。《第二次中日战争各重要战役史料汇编·长城战役》，第191页。敌我隔滦河形成对峙。
这时，日本天皇突然对滦东战事表示“关心”参见《现代史资料》（7），第531页。；关东军遂奉敕命于4日19日下达“关作命第498号”命令，将占领滦东部队撤回长城沿线。天皇究竟为何“关心”，原因不明。不过关东军发动滦东战役，除军事打击目的之外，还暗藏着政治阴谋。
四南天门、兴隆县战斗
长城东线战斗刚刚结束，关东军又在西面的南天门、兴隆县发动了新攻势。长城战役第三阶段开始。
自3月中旬以来，我军组成第8军团，加强南天门防御，以421高地为核心，纵深构筑了多道阵地。与敌相持月余。4月20日，敌为配合“板垣工作”，命第8师团主力“对当面之敌予以痛击”。自21日起敌出动第16旅团等对我第2师发起猛攻。至25日，敌反复攻击均未得逞。我第2师苦战5昼夜，伤亡惨重，由第83师接替防务。敌久攻未克，于26日将第4旅团投入战场；再次进行猛攻。双方激战3日，我军工事全毁，伤亡甚大，我83师于28日退守新开岭第二道防线。8昼夜血与火的较量，敌以付出重大代价，攻占了南天门。
与南天门战斗同时，敌第31联队岛村大队向兴隆县进犯，4月21日占领县城。驻守这一地区的我第26军萧之楚部，决心消灭这股敌人，组成4路纵队，分由马兰关、黄崖关等地出发，于27日将敌包围。29日正待全歼该敌之时，何应钦命萧部向墙子路转进。萧乃命132旅暂留兴隆，余皆转移。30日敌增援部队赶到，我132旅随即撤走。是役岛村大队伤亡达38％。《太平洋战争ヘの道》，第23页。
至我军撤出南天门，长城沿线关口均陷敌手，长城沿线战役结束。在3月初至4月底近两个月的时间里，我军浴血奋战，沉重打击了号称“皇军王牌”的关东军的嚣张气焰，特别是古北口，喜峰口的战斗尤为激烈。骄横不可一世的关东军，在雄伟的长城前，第一次遇到了中国军队的顽强抵抗。长城战役是关东军与中国军队规模最大的作战。
走向世界战争入侵冀察
关东军占领热河，攻取长城沿线，其气焰更为嚣张。然后一面南进威逼平津，一面西进入侵察东，欲以武力和谋略，占领和控制察东和冀东地区。
一侵犯察东
察哈尔省紧邻热河，亦在日本“满蒙政策”的图谋范围。东境多伦，扼内外蒙入关通道，有塞外“小上海”之称，为商业和军事重镇。关东军在制订进攻热河计划时，已将多伦作为攻占目标，命伪军刘桂堂部向林西、多伦方面作战。关东军占领热河后，以主力南犯长城，同时命骑兵第4旅团，纠合伪军张海鹏、李守信、刘桂堂等，准备侵犯察东。
我军在察省的防务情况为：根据2月上旬制订的华北防御计划，察省防务由第7军团（总指挥傅作义）担任，所辖傅作义第59军、李服膺第61军、赵承绶骑兵第1军。第59军担任张家口、张北、宝昌等地的守备；第61军防守赤城、独石口、沽源一带。骑1军驻守多伦。
另外，汤玉麟第5军团放弃承德后，收容残部编成步兵3个旅、骑兵3个旅等，退至上黄旗、花营子一带。虽国民政府已下令通缉查办汤玉麟；但汤拥兵自重，拒不离职。军分会无奈令其立功自赎，防守沽源一带。由赤峰退入察省的第6军团孙殿英、冯占海部；3月间集于宝昌、沽源一带，军分会令其与汤共同防守察东。其余散败部队编为骑兵挺进军由刘翼飞任总指挥，分驻张垣、商都、康保等地。并有义勇军多部退集察省。
4月下旬敌开始向多伦进犯，骑1军于25日派出第5团前往阻敌。在小汤河一带且战且退。28日敌全线攻击，三江洼、磴口桥阵地等被敌突破，我军退守第2道防线，敌包抄迂回，进入多伦，双方巷战，我军不支退走，5月1日多伦失守。接着敌进攻沽源，7日冯占海部在大梁底将伪军刘桂堂部击退。下旬敌再进攻，汤玉麟欲图投敌未成，南逃赤城；冯占海部抵敌不住，退往张垣，5月24日敌攻占沽源。后敌分两路继续进犯：一路拟由多伦西侵宝昌、康保，然后转而南下图取张北；另一路由沽源南进独石口、赤城，然后向西威胁张家口。在察省面临危机之时，爱国将领冯玉祥毅然奋起，组织察哈尔民众抗日同盟军，保卫察省，收复失地。
“九·一八”事变以后，冯玉祥就积极主张抗日，1932年10月，冯在共产党员吉鸿昌的动员下，由泰山移居张家口，联络旧部，积极准备抗日。1933年3月，原安徽省主席方振武在晋南揭起抗日旗帜，于5月中旬率部艰苦跋涉到达宣化。冯旧部孙良诚、高树勋、张凌云等也先后到达张家口。宋哲元留察部队也纷纷响应冯的抗日号召，退入察省的东北义勇军冯占海、邓文、李海青、檀自新、刘震东、耿继周等部也表示服从于冯。察省的抗日情绪极为高涨。冯玉祥的抗日主张，得到了共产党和民众及各界的广泛支持。
在日伪准备深入察省的情况下，5月26日察省各界在张家口召开民众御侮救亡大会，正式成立“察哈尔民众抗日同盟军”（以下简称“同盟军”）。公推冯玉祥为总司令；方振武为副总司令，邱山宁为总参谋长。冯即通电全国，表示“率领志同道合之战�