第二战区司令长官阎锡山为策应平绥路东段的作战，曾命令刘汝明第68军和赵承绶骑兵军分向崇礼、张北、尚义、商都和化德一带伪蒙军攻击。但“察军对张北之攻击（令）仍迟迟未下。且其攻击部署，系临时收编之夏子明各部担任前线”，而刘汝明军的“基本之143师，仍分驻张垣、宣化、涿鹿一带，多未使用”。到8月18日，因日军逐渐增加，察军退取守势；加之张家口地势北高南低，平绥路在此拐弯，向北突出，形成不利因素。只有另派或增加有力部队夺取张北，驱除日军，才可确保张家口、掩护平绥路。鉴于以上情况，18日傅作义召集幕僚研究，决定“先以全力歼灭张北之敌，并将骑兵推进至多伦，保持张垣安全。然后再转移兵力，增援南口”，并将此意电告阎锡山。但阎锡山复电：“即率大军增援南口。”傅作义经一再考虑，仍拟维持原计划，以应事机。阎锡山又派王靖国军长传达命令：“先解南口之危。”傅作义迫不得已，表示服从上命，遂停止了向张北方向的进攻，将全部兵力运往南口前线。
日军第5师团加入作战，使中国守军第13军防线处于岌岌可危的境地。18日，傅作义率第72师及第100旅、第211旅和独立第7旅由柴沟堡增援南口地区作战。蒋介石急令卫立煌部迅速向周口店一带集中，并增援南口、怀来地区作战；另令位于平汉、津浦路的一部向平、津之间出击，以配合卫立煌军北进；令汤恩伯：“如万不得已，我军务要固守怀来等据点，勿使失陷。”接着又致电汤：“固守现有阵地，最后必须死守怀来，待援出击。”
19日是南口作战最激烈的一天，双方在黄楼院、禾子涧、沙锅铺、850高地一带反复争夺。一日之间，中国军队伤亡1200余人。这天，在居庸关方面，日军也倾全力攻击，并突入居庸关南门，后被守军击退。
23日夜间，汤恩伯下令再次调整部署、紧缩战线、固守据点：居庸关为第1固守点，归第21师及第89师守备；横岭城为第2固守点，归第72师及第4师守备；延庆为第3固守点，归第94师守备；怀来为第4固守点，归独立第7旅守备。汤严令：非有命令不得移动或放弃。蒋介石得到汤恩伯的退守各据点的报告后，于25日上午电告汤恩伯：“我军既退守各据点，务令各级主官激励所部死守勿退。”
25日，日军猛攻横岭城和居庸关。中日两军在这两点上展开激烈战斗。当日下午3时，日军坦克冲入居庸关。守军虽伤亡很大，但仍占据山岭有利地形与日军作战。当日占领水头村的日军攻击怀来城南之十八家。在该地防守的独立第7旅一部退守怀来。日军随即在飞机、炮兵支援下攻击怀来。这样，长城线上各点守军已处在日军前后夹击的态势下。
25日晚间，汤恩伯将战况紧急电告蒋介石。蒋于26日上午复电汤：“我军必须死守现地，切勿再退，否则，到处皆是死地，与其退而死，不如固守而死，况固守以待卫军联络，即是生路。此时惟一生机，惟力图与卫联络之一途而已。”可是，卫立煌军一部虽已经到达大村，汤恩伯仍未与其取得联络，而居庸关、横岭城告急。于是，汤恩伯于26日下午1时30分下令全军突围。日军当即发起追击。其第5师团一部当天占怀来。独立混成第11旅团一部于27日占延庆。
当卫立煌所部第10师于26日进至镇边城时，这里的战斗已经结束。27日，汤恩伯所属部队奉令退蔚县、广灵、涞源。
当居庸关、横岭城、镇边城地区展开激烈争夺战、日军第5师团陷于苦战之际，日关东军察哈尔派遣兵团令刚从天津回到张北的混成第2旅团（附堤不夹贵等2个大队及伪蒙军一部）于8月20日向张家口发动进攻，当夜即突破刘汝明第68军防守的长城防线，占领了神威台。保安第1旅旅长马玉田阵亡。22日，日军继续向万全方向进攻，击退守军第143师后，于24日进至张家口西南高地，并占领了孔家庄车站，切断了平绥路。此时，傅作义率领增援南口方面的2个旅返回张家口，立即向占领高地的日军组织反击。他们曾给予日军以相当杀伤，但反击未能奏效。刘汝明所部向天镇、蔚县撤退。傅作义退守柴沟堡。8月27日，张家口失陷。日军混成第2旅团向下花园方向追击，与西进的第5师团会合，张家口以东平绥铁路及其以北地区完全为日军控制。
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第四部分：华北作战
天镇、阳高战斗与大同失陷
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日本“中国驻屯军”在南口、居庸关地区遭到中国军队的坚强阻击，进展极为困难之际，为了华北会战进行顺利，日本参谋本部于8月21日决定再增派第16、第108和第109师团到中国；24日，又将原来预定开赴东北的第14师团也开赴华北（这4个师团均为两旅团制，其中第14、第16师团为常备师团，第108和第109师团为特设师团）。同日，日本内阁会议通过了增兵动员令。日本陆军大臣杉山元说明增兵的原因是：迅速、彻底地给中国以沉重打击，以便早日使国民政府屈服、早日结束战争。8月31日，日军“华北方面军”正式组成（日“华北方面军”战斗序列见附表3－2－1）。寺内寿一大将任司令官，下辖第1、第2两个军及直属部队，总计8个师团。连同关东军察哈尔派遣兵团的4个混成旅团及航空兵、炮兵等特种部队，侵入华北的日军共约37万人。“华北方面军”司令部组成后，于9月4日开始统帅日军作战，并作了方面军的作战部署：“方面军的目的在于以主力消灭保定、沧县的敌人，迅速进入易县、定兴、霸县、马厂附近准备攻击，同时以第5师团迅速进入蔚县附近，准备对保定平原的作战。”
中国第二战区司令长官部判断日军占领南口、张家口一线后的作战行动有两种可能：第一，以一部兵力从蔚县向广灵佯攻，主力沿平绥路西进，夺取大同，切断我军晋、绥联络线；第二，以一部兵力向天镇实施牵制攻击，主力向广灵进攻，截断我军雁门后路。日军的主攻方向究竟是指向大同还是广灵？难于决断，因此中国军队采取了一个机动的作战方针：“本军以利用山地歼灭敌人之目的，以主力配置于天镇、阳高、广灵、灵丘、平型关各地区，以一部控制于大同、浑源、应县附近、以策应各方之战斗，相机转移攻势。”如敌以主力进攻广灵时，在广灵地区的守军应固守待援，以总预备队主力应援该方面作战，位于东井集的部队向广灵敌侧背威胁，以使战斗成功；如敌以主力指向大同、进攻天镇时，天镇守军拼死待援，以大同附近之总预备队向天镇推进，位于浑源附近的兵力渡桑干河，向天镇右翼实施侧面攻击，牵制敌人，俟敌顿挫后，从天镇两翼夹击之。
根据上述作战方针，第二战区部队部署如下：
第13军汤恩伯所部第4、第89两师由于损失惨重，到安阳整补；其第94师开马黄峪，归卫立煌指挥。第68军刘汝明部在蔚县一带依山作战。第17军高桂滋部位于广灵布防，该军仍归汤恩伯指挥。
晋绥军各部：
１． 第6集团军第33军之独立第3旅布防灵丘，第73师布防广灵，第85师控制大营，第34军之第203旅布防东井集与浑源，第196旅控置应县，第71师控置岱岳，新编第2师控置砂河。
２． 第7集团军第61军之第101师固守天镇，第200旅布防阳高，独立第7旅控制大同以东地区；第35军新编第6旅固守兴和，新编第5旅控制隆盛庄，第218旅固守集宁，第211旅控制归绥，独立第2旅和205旅控制大同、丰镇。
３． 预备军第72师拟控制应县，第209旅控制怀仁以北地区，第215旅控制雁门一带，独立第1旅控制平型关一带，第66师控制太原附近；骑兵军主力在商都、尚义、化德等处布防，一部守大庙、百灵庙。
４． 司令长官部行营进驻雁门关南之岭口。
按照这一部署，在华北战线的左翼可以形成一个由商都、兴和、天镇、蔚县到涿县的半圆形防线。可是，正当由南口、张家口一线撤退下来的部队调整部署之际，日军第5师团不惜战斗减员，不顾军需补充困难，按照方面军“迅速进入蔚县附近，准备对保定平原的作战”的命令，于9月6日即向蔚县方面发起进攻。
蔚县地区是第一、第二两战区部队作战的分界线和枢纽。原定在此防御的第68军刘汝明所部已奉命到津浦线方面，归于第1集团军，这里便形成了一个无兵防守的空隙地区，而预想已经从陕西关中地区出动东渡黄河的第８路军进入这一地区参战还为时尚早。于是，阎锡山以急电请求蒋介石派兵固守涞源，并要求第68军待第８路军到达接防以后再行转移归建。
日军第5师团于9月6日，从宣化、新保安、怀来附近分3个纵队开始向花稍营（今化稍营）、西合营一线进攻。其左纵队步兵第11联队前进途中在桑园附近为河水、烂泥所阻，师团长即令其以一部留于该地掩护师团主力左侧，其余并入中央纵队前进。中央纵队第9旅团和右纵队第21旅团于9月9日进抵花稍营与西合营一线。尔后，第5师团长即令中央纵队第9旅团攻击广灵附近的中国守军阵地。右纵队第21旅团从阳原附近向广灵之西实施迂回。此时，在蔚县担任防御的第68军部未与进攻的日军接触，即于9月10日擅自撤退。汤恩伯立即令第17军高桂滋部从广灵派一个团跑步前往蔚县填防。该团于11日跑步到达距蔚县七八里时，日军骑兵第5联队已进入蔚县县城。同日，日军第9旅团第41联队进占涞源以北的伊家堡和同沟。至此，日军第5师团已完成了方面军所赋予的“迅速进入蔚县附近”的任务。
保定行营主任徐永昌得知上述情况后，即令正在后撤的第68军暂留有力一部在水宿亘小四庄之线占领阵地，对桃花堡、西合营警戒；并令第3军曾万钟部派1个团自易县出发，赶往涞源布防。在广灵方面，汤恩伯将第84师配置于六棱山、火烧岭一带；第21师主力配置于豹峪、洗马庄一带，阻止日军进攻。
日本关东军察哈尔派遣兵团在占领张家口以后即向天镇方面进攻。阎锡山判断日本关东军主力将分３路从兴和、天镇、东井集进攻大同，他决定诱敌进入大同东面的聚乐堡“国防阵地”地区，集结强大兵团于南翼的浑源、东井集间和北翼的绥东丰镇、兴和间，发动南北钳击，并以骑兵集团向张家口挺进，实施“大同会战”，于是命令第61军在西湾堡、天镇、阳高地区阻止敌人前进。第61军军长李服膺接到在天镇、阳高方面固守的任务后，立即在该地布防。
9月3日，集结在永嘉堡的日军独立混成第15旅团一部，向位于砖窑村的第61军警戒阵地发动攻击，战至黄昏退去。4日，该旅团在30余架飞机和炮兵的支援下又向天镇城东的李家山、罗家山发动攻击。激战1日，形成对峙。6日，日本关东军向天镇守军发动全线攻击，攻占城东南的盘山。7日拂晓，守军除天镇城内第299团坚守城垣阻击敌人外，其余全被日军冲垮，向后撤退。
8日晨7时，6架日机轰炸阳高。同时，日军分南、北两路向镇宏堡、聚乐堡一线追击。此日，日军除混成第15旅团占领镇宏堡外，其余主力向聚乐堡攻击，并令军预备队第11联队也加入战斗。10日，日军围攻阳高城。守城部队第414团受到严重伤亡，城被日军攻陷。第61军军长李服膺即率部（除仍在坚守天镇的第299团外）撤退至聚乐堡以南的瓜园村休整。
防守天镇城的第299团曾在10日打退日军的两次进攻。11日，日军以飞机、大炮将天镇东北城角击毁。其步兵乘势猛冲，仍被守军击退。但是守军已连续苦战数日，城内粮弹均缺，遂突围。天镇城终被日军占领。在此情况下，阎锡山的“大同会战”计划已成泡影，便下令各部队向大同以南、桑干河南岸的山地转移。
阎锡山在下令部队转移时，曾留1个旅在大同城附近依城野战，2个旅占领大同以西山地阻敌西进。这实际上是一个放弃大同的部署，所以日军独立混成第１旅团于9月13日未经战斗便进入晋北重镇大同。
日军占领大同后，关东军的作战告一段落，接着部署攻占大同附近的地区。独立步兵第11联队于17日占丰镇，于24日占集宁。独立混成第1旅团于17日占领大同西南的尚希庄，于18日交防给混成第15旅团，尔后向绥远方面进攻。占领南壕堑的日军河村支队于9月19日占领兴和，接着向凉城方面进攻。24日，该支队在从右玉方面进攻的松井支队的协同下进占凉城。至此，察南、绥东和大同周围的晋北地区全部沦于敌手。
三、 作 战 简 析
平绥路东段的作战中，绝大多数的中国军队表现出英勇顽强的抗战精神，尤其是南口地区的争夺战更为突出。但经过半个多月的激烈战斗，南口、张家口等战略要地终于被日军攻占。中国军队的失利，有主、客观方面的因素。就作战指导方面而言，则主要原因有二：一是指挥不统一，难以协同作战；二是刘汝明指挥严重失当，贻误了战机。
卢沟桥事变爆发后，中国统帅部对敌情的判断从总体上说是比较准确的。早在7月中下旬，即已开始全国性的抗战部署。对平绥路东段的作战部署，从7月下旬也已开始。蒋介石在南京还召见了汤恩伯，令其率部至南口地区布防。但平绥路东段地跨第一、第二两个战区和河北、察哈尔两省，参战部队又极为复杂，在这种情况下必须有一个权力高度集中的领导，实施统一的指挥，才能关照全局，掌握关节，正确、及时地指挥作战，使参战部队协调一致地行动，充分发挥整体力量，夺取战斗的胜利。但由于历史的原因，蒋介石不是从作战的需要出发来建立部队的指挥系统，而是更多地考虑派系和人事关系。