中国军队占地利之先，抢在日军之前调兵遣将，严阵以待。
8月5日清晨，南口正面阵地前一趟树林中，隐现出几个形迹可疑的“中国人”。几个男人，其中一个还戴着眼镜，拎着大包小裹，鬼鬼祟祟的样子。走到一处有掩体，便于了望的壕沟旁停下，打开包裹，不用说，是大大小小的望远镜等观测设备。双筒望远镜、炮兵观测镜应有尽有。拨开浓密树枝，窥视中国守军阵地。不到一刻钟，这伙人起身收摊，见没有人发现，遂急忙离去。次日引来了一场旷日之战。
8月6日，日军以关东军独立混成第十一旅团（铃木重康旅团长）为主力，在板垣征四郎第五师团等部协同下约三万人，配有四十多门大炮、若干飞机、坦克猛攻南口镇。其中两部绕过南口侧翼进攻居庸关、怀来、延庆，企图打乱汤恩伯的指挥体系，吞食南口。8日，大雨滂沱，浇得人睁不开眼睛。日军在飞机、大炮一通倾泻之后，坦克前导，骑兵随后，千名步兵进犯守军第八十九师王仲廉部阵地。大雨中，王师第二六五旅第五二九团一部，以血肉之躯，用手榴弹、步枪与敌死拼。血水、雨水交汇成河，日军损伤惨重退却。10日，日军增兵千余再犯，攻势更猛，汤恩伯离开怀来总部亲抵八达岭邀同王仲廉师长，至居庸关会同第二六五旅长李铣坐镇指挥作战。日军兵分两路进攻得胜口，守军凭险扼敌，与敌展开激烈争夺战。守军拼死抵抗，仅在龙虎台前，日军即遗尸如山，血流成渠。