当第二十九军在喜峰口与日军鏖战之时，在古北口也发生了激烈的战斗。

古北口是由承德到北平的最近关口古道，为平津又一重要门户。长城从靠山集由南而北，沿雾灵山脉迄小白旗附近急剧西折，经古北口而到达白灵关，又转而向南，其突出部正面约50华里，古北口正当其中，形势非常险要。

承德失陷以后，汤玉麟的第五军团仓皇败退长山峪，第二集团军总司令张作相也退抵古北口，而日军第八师团第十六旅团(旅团长川原侃)则跟踪追击，试图一举攻占古北口要隘，威胁北平。北平军分会见情势紧迫，急忙给第六十七军军长王以哲下达了“务严饬所部在白马关、古北口、黑峪关沿线从速完成防御配备，以阻承德之敌南下”的命令。同时命令第十七军第二十五师进驻密云待命；令骑兵第二师移驻沙河；令第二师黄杰部进驻北通州。王以哲受命后，乃令张政枋的第一Ｏ七师以一部进至青石梁，以一小部派驻黑峪关；令张廷枢的第一一二师亦向古北口挺进。

3月4日晚间，第一Ｏ七师由密云出发，向古北口方面前进。但这时汤玉麟的第五军团未进行抵抗，又向安匠屯方向溃逃，致使日军乘虚而入，将青石梁阵地占领。张政枋师长即令所部在马圈子、三间房、黄土梁一带占领阵地，对通滦平大道及各要口严行警戒。5日下午，该师第六二一团(团长王志军)到达马圈子、黄土梁一带，并派兵1排进占长山峪，掩护主力构筑工事。当晚，敌战车2辆、装甲车二三十辆掩护步兵200余，向该团阵地突击。守军官兵多系东北人，为报九·一八事变被辱之仇，个个义愤填膺，奋勇杀敌，当即将来犯之敌击退，并毁敌战车2辆。

6日晨，张政枋按照北平军分会电令，重新作了防御部署：以第六一九团推进至曹路口新城子一带占领阵地，对热河及长城各要口严行警戒；以六二Ｏ团(欠一营)在巴克什营占领阵地，对通热河及通十八盘岭大道严行戒备；第六二一团仍在黄土梁现阵地拒止敌人。各团接令后即分别行动，部署刚毕，敌步兵千余及战车装甲车20多辆郎向第六二一团阵地扑来。守军官兵沉着应战，待敌人进至阵地前沿时才猛烈射击，予敌以重大杀伤。但该团左翼老虎山阵地被敌突破，后经步兵1连增援逆袭，又将原阵地夺回，毙伤敌人甚众，并击毁改装甲车2辆。

7日上午8时，敌2000余人再次来犯，第六二一团激战数小时，敌仍未得逞。但该团已苦战3日，官兵伤亡l／3以上，第一Ｏ七师指挥部为防止敌人乘隙突进，遂令第六二Ｏ团沿大道经二间房向栅子、大龙潭、黄木局一带推进，并以山炮１连配置给第六二一团，以加强该团火力。

8日上午，第六二一团当面之敌在飞机大炮掩护下向该团左右两翼阵地包围攻击，守军苦战多时，并派预备队分头增援，终将敌人击退。

9日晨4时，步炮联合之敌向第六二一团正面猛攻，另一部敌人约七八百名向老虎山左翼包围，该团第八连与敌肉搏格斗，屡退屡进，许多士兵轻伤不下火线，战况极为激烈。后经第六二Ｏ团第一营增援，方将敌人击退。当日下午6时，第六十七军军长王以哲由古北口抵达二间房第一Ｏ七师部。王鉴于第一一二师已抵达古北日，增调的中央军第二十五师(关麟征)也正向古北口转进，第一Ｏ七师伤亡过重急需休整，遂决定将该师撤退到古北口内，与第二十五师换防。当晚，该师各部开始行动，于次日晨4时全部撤至古北口附近。这时，第二十五师也刚好抵达古北口。

第二十五师原属第十七军，驻扎在徐州、蚌埠一带。1933年2月，当热河形势岌岌可危时，全国各界爱国团体纷纷致电蒋介石和国民政府，要求蒋介石立即派军北上抗日，在前线抗战的华北将领也屡屡呼吁中央派军增援。蒋介石迫于舆论的压力和前线军情的紧迫，不得不抽调少数中央军北上御敌。当时抽调的部队除关麟征的第二十五师外，尚有黄杰的第二师(原驻潼关、洛阳一带)和刘戡的第八十三师(原驻湖北花园、孝感一带)等部，统归第十七军军长徐庭瑶指挥。以上各部于2月下旬开始向北输送，先行的第二十五师于3月5日抵达通州。由于中央军缺乏抗日准备，饷械装备不足，到了严寒的北方，士兵们仍是赤足草鞋，至于大衣等防寒服装，则更谈不到了。当时北平各界抗日后援会，尤其是朱庆澜先生领导的后援会，竭尽全力为第二十五师捐送皮衣等防寒装备，该师官兵深为人民支援抗战的热忱所感动。

3月6日，第二十五师接北平军分会电令，着其移驻密云待命，该师于7日开拔向密云前进(密云距通州140里)，中途又接张学良电，谓敌人已侵入平泉承德，其先头似达滦平等语，8日午后6时，该师全部抵达密云县城。部队正在休息中，又接张学良电，告知敌人已向古北口开始攻击，刻正对战中，令该师“迅速向古北口前进，与在古北口之王军长以哲极力联络”。该师即予当夜ll时出发，兼程向古北口急进，于10日上午4时抵达古北口。其时正值第一Ｏ七师由口外黄土梁阵地撤回，古北口街道上人挤马拥，混乱异常。第二十五师师长关麟征偕同第七十三旅旅长杜聿明急忙与王以哲磋商，决定仍由王部第一一二师(张廷枢)担任长城第一道防线，第二十五师占领古北口南城东西两侧高地，并向左右延伸，构成第二道防线。第七十三旅随即占领古北口街市及南门两侧高地，以第一四六团的一个营为左地区守备队，第一四五团(欠一营)为右地区守备队，第一四六团(欠一营)为旅预备队。第七十五旅(张耀明)在黄道甸附近集结待命，师部及直属队位于南门外东南的关帝庙附近。第一一二师仍在将军楼左至卧虎山之既设阵地。

3月10日上午7时30分，各部刚刚部署完毕，日机即飞临守军阵地上空，轮番侦察轰炸，竟日未停。由于古北口一带的高地多是坚硬的岩石秃山，很难构筑工事，守军又缺乏防空武器，因而敌机轰炸非常有效，我军遭受相当伤亡。下午3时许，日军步兵第十六旅团主力在炮火掩护下向第一一二师右翼将军楼阵地作试探性进攻，经数小时战斗，在守军英勇反击下退回原线。日军退后，其向右翼阵地为主攻点的目的暴露，第二十五师乃乘夜调整部署，决定把杜聿明旅的第一四五团(欠一营)增加到右翼龙儿峪阵地，左与第一一二师的将军楼阵地相接，右至龙儿峪以东500米高地之线，并调第七十五旅(欠一五Ｏ团)集结于古北口东关，相机策应。另派第七十五旅第一四九团一营，于通司马台大道设防，以保证我军右侧背之安全。

11日拂晓，敌人借助飞机大炮掩护，以其主力向我右翼第一四五团及第一一二师阵地猛攻，一时尘烟蔽日，弹片横飞。日军第八师团长亲临前线，登上三七Ｏ高地长城一角督战指挥，并调野炮第八联队及工兵第八大队主力支援第十六旅团的攻击。敌人顽强进攻，我军拼死抵抗，战况之惨烈，超过以往任何一次，有些阵地得失数次，敌我双方死伤惨重，尸横遍野。激战至10时许，第一一二师将军楼阵地被敌突破，第一一二师六三五团团长白玉麟阵亡。该师不支，放弃古北口第一道防线，仅留第六三六团占领河西镇北方高地，收容并掩护师主力撤退。当日正午，古北口失陷。

日军攻占了我第一线阵地后，遂乘胜以主力向第二十五师右翼龙儿峪阵地包围攻击。该地守军第一四五团受敌两翼夹击，伤亡惨重，与旅部的通讯联络也被切断，陷于危险的境地。这时，古北口南城也发生激烈战斗，关麟征师长见情况紧迫，即把南城方面的指挥任务交给杜聿明，亲率特务连赴右翼前线指挥第七十五旅主力(欠一五Ｏ团)猛烈向敌逆袭，试图恢复将军楼阵地并支援第一四五团的战斗。关麟征师长出古北口东关不远，即与敌人前哨部队发生遭遇，关遂率第一四九团拟强占潮河支流北岸高地，走到山腰，又遭潜伏之敌阻击，双方短兵相接，互以刺刀手榴弹肉搏。激战中关麟征身中3块弹片负伤，仍忍痛坚持指挥，终于将敌人击退，占领了高地，并恢复了与第一四五团的联系。是役第一四九团团长王润波阵亡，其余官兵也伤亡甚众。

关麟征负伤后转北平就医，遗职由第七十三旅旅长杜聿明代理，第一四六团团长梁恺升调为第七十三旅旅长，继续率部与敌人作战，多次击退敌人的进攻。下午6时，防守河西镇的第一一二师第六三六团擅自撤退，杜聿明派第七十五旅的第一五Ｏ团占领该阵地，以巩固第二十五师左侧翼，同时命骑兵连经北甸子、汤河向敌后方迂回，以威胁敌之左侧背。又经数小时激战，敌人始终未能突破第二十五师的防线。当晚，杜聿明决定以仅有的两连预备队和师部特务连占领古北口以南高地和南天门一带预备阵地，以便在万不得已时掩护师主力撤退。

12日晨4时，日军增调的重炮部队到达古北口战场，从7时起联合原有炮队向我阵地实施密集射击，敌机20余架轮番轰炸，守军阵地顿成一片火海。敌军主力乃趁势向第一四五团正面猛攻，同时以大部兵力向右翼延伸包围，战况较前两日更为激烈。第二十五师官兵虽死伤严重，仍与敌人顽强相搏，击退敌人3次冲锋。战至中午，所有电话及无线电报话机被敌炮炸毁，前后方联络中断，各部陷入各自为战的状态。至下午3时，第一四五团已伤亡殆尽，第一四九团因受敌人包围，损失也极为重大，而进攻之敌源源增加，我则后援不继。这时，一部敌人迂回到古北口东关附近，以机枪扫射师指挥部，杜聿明急率师部人员转移到古北口以南的预备阵地。接着，守军各部也纷纷撤退下来，敌机跟踪轰炸，使撤退部队又蒙受很大损失，仓皇中只有少数部队按预定计划占领古北口以南高地及西南方的南天门阵地。这时，第一四五团派出的一个步哨班7名士兵因远离主力未及撤退，仍继续顽强抵抗，先后毙伤日军百余名。敌人恼羞成怒，用飞机大炮联合轰击，将该哨歼灭，7位勇士全部壮烈牺牲。7位勇士的献身精神令日军极为惊佩，他们将7人的尸首掩埋，并在墓碑上题写“支那七勇士之墓”。

入夜，杜聿明收容整顿了部队，重新进行了部署，南天门以左地区归第七十五旅守备，南天门以右地区归第七十三旅守备。这时第十七军军部已抵达密云，第二师也已在密云附近集结完毕。军长徐庭瑶因第二十五师损失惨重，遂令第二师星夜向南天门急进，接替第二十五师防务。13日上午5对左右，第二师郑洞国旅到达南天门，接替了第二十五师的阵地，第二十五师撤回密云整补。

从3月6日接战以来，第一Ｏ七师、第一一二师和第二十五师各部与日军鏖战1周，毙伤敌人2000人以上，使日本侵略军又一次受到中国军队的沉重打击，日军指挥部不得不承认中国守军“抵抗之顽强”，并称这次古北口战斗是“激战中之激战”。但古北口各守军为此也付出了沉重的代价，第二十五师血战3日，师长关麟征、旅长梁恺负伤，团长阵亡负伤各1名，连排长死伤达3／4，全师官兵伤亡总数达4000余人，其战斗之激烈可以想见。参战将士不畏强敌，前赴后继，不怕牺牲的爱国精神，极为可歌可泣。自此直至4月20日，日军未敢轻于冒进，一方面是因为奉命“不得越过长城线”，另一方面则是因为这次进攻受到中国军队的顽强抗击，对于以后战斗不得不集中更多的兵力，作更周密的准备。古北口战斗暂告一段落。