南口战场连日苦战，情势危急。23日，镇边城失陷。日军从镇边城迂回，向怀来突进。南口各点中国守军连日血战，伤亡过半，直至25日仍在与日军拼斗。25日，居庸关失守。26日午后，汤恩伯部奉令突围。26日、27日，怀来、延庆失陷。
（二）张家口沦陷
正当南口鏖战之际，日本关东军“察哈尔派遣兵团”（后称“蒙疆兵团”）由关东军参谋长东条英机担任司令官，向张家口地区发起进攻。
为策应南口作战，第二战区令骑兵第1军（赵承绶）在察哈尔省（今内蒙古东部）向伪蒙军发动攻势。赵承绶部攻克商都、尚义等地，刘汝明部主力攻张北，另一部攻崇礼。
15日，日军猛扑刘汝明部，20日向张家口进攻。神威台守军保安第1旅旅长马玉田阵亡。24日，日军攻占张家口以西孔家庄车站，平绥铁路交通中断。傅作义率部赴援张家口无效，张垣四面受围。26日，刘汝明师撤退。27日，张家口失陷。
（三）大同失陷
日军攻占张家口后，继续沿平绥路西进，9月5日向天镇猛攻。李服膺第61军在天镇、阳高与日军激战。日军包围天镇后，其主力越过天镇向西进攻阳高，李服膺未予坚守。10日，阳高失陷。孤守天镇的第299团经6昼夜苦战，牺牲惨重，于11日突围，天镇失陷。后阎锡山以李服膺违背命令、作战不力、放弃要地，于10月2日予以军法处决。