担任平汉铁路北线作战任务的是方面军第一军，由司令官板垣征四郎中将统领四个师团及四个混成旅团协同作战。
板垣先是用第二十六师团两个旅团猛攻南北沙河防线，吸引汤恩伯二十军团注意力，随后突然调动隐身于顺义、怀柔一线的板垣师团，越过牛栏山和天寿山，突袭昌平县城。昌平守军骤不及防，城池迅即被第五师团拿下，固守沙河一线的王劲哉新三十五师后路被断，不得已退往京西的玉泉山、妙笔山一线。
板垣见状，毫不迟疑，迅速用火车将蓄势待发的第一〇二师团、第一〇三师团运抵南口，猛攻南口中国守军第89师坚守的南口车站和龙虎台高地，我守军将士伤亡惨重，但仍顽强抵抗，无奈敌我双方兵力悬殊太大，至下午三时，南口失守。
板垣依旧没有停止用兵的意思，略微休整，第二十六师团便沿关沟，向居庸关攻击前进，中国守军利用八达岭一线山地有利地形，坚强阻击，日军锋芒受挫，在南口镇西侧向长城线实施助攻的日军一个混成旅团，也在守军的顽强抵抗下，顿兵于阵地之前。
板垣气急败坏，立即指派第五师团，先以步兵第42联队在主攻点左侧展开，增强向长城线上中国守军的攻击力量。在此之前，汤恩伯已令第4师一部在长城线上的横岭城占领阵地，眼见日军攻势凶猛，又令火速增援前线的第94师第564团与第21师第122团合编为吴绍周支队，在石峡附近沿长城线占领阵地。
夜幕降临前，日军步兵第42联队夺取了长城线上的最高峰1390高地。随后，日军第五师团主力逐次展开于长城线上1390高地至镇边城之间，向守军发动攻击，并将1050高地附近作为攻击的主要突击方向，以翼侧迂回战术突破长城线夺取怀来，以切断居庸关方面中**队的退路。
在此情况下，汤恩伯又令第4师第12旅加入横岭城附近地区的战斗。
第二战区司令长官阎锡山接到南口的求救电报后，立即命令刘汝明第68军紧急增援南口，但刘汝明不为所动，依旧盘踞张家口不出，傅作义召集幕僚研究，认为日军察哈尔兵团威胁巨大，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。
日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。
九月三十日，板垣继续指挥日军四个师团，猛攻横岭城和居庸关。中日两军在这两点上展开激烈战斗，上午十时，日军坦克冲入居庸关。汤恩伯部虽伤亡很大，但仍占据山岭有利地形与日军作战，但中午时分，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。
汤恩伯于是日下午命令军团突围，日军当即发起追击，第五师团一部当天夜里占怀来，第二十六师团一部于次日凌晨占领延庆。
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，二十八日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，日军继续向万全方向进攻，击退守军第143师，于十月一日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，立即向占领高地的日军组织反击。虽然这次进攻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。傅作义部退守柴沟堡。
十月二日，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日军控制。
几乎没有任何停留，板垣征四郎与东条英机商定，以察哈尔兵团攻略绥远，第一军南下，进攻河北西部地区。
随后，板垣以第五、第二十六、第一〇二师团为主攻部队，第一〇三师团为战略预备队，分别从宣化、新保安、怀来附近开始向花稍营(今化稍营)、西合营一线进攻。其左纵队第二十六师团前进途中在桑园附近为河水、烂泥所阻，不得已并入中央纵队前进。中央纵队第五师团和右纵队第一〇二师团于三日后进抵花稍营与西合营一线。
尔后，板垣即令中央纵队攻击广灵附近的中国守军阵地。右纵队第一〇二师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，日军占领涞源以北的伊家堡和同沟。
日本关东军察哈尔派遣兵团在与第一军分道扬镳后，即向天镇方面进攻。阎锡山判断日本关东军三个师团主力，将分三路从兴和、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