日军炮兵
3月11日拂晓，日军第八师团川原旅团向守军阵地发起总攻。第112师不战而退。日军迅速占领古北口关口，并向第25师右翼龙儿峪阵地包围攻击。第25师师长关麟征指挥张耀明旅主力支援被围部队，出古北口东关不远与敌遭遇，双方短兵相接。关麟征负伤后仍继续指挥战斗，将敌击退。
10日上午6时，25师73旅已占领古北口南城东西两侧高地及龙儿峪阵地（即第112师右翼之第一线阵地），并加紧构筑防御工事。该旅的145团在右地区，146团（欠一营）在左地区，并以145团的一营在右翼第一 线占领龙儿峪阵地。146团的一营为旅预备队。75旅集结于黄道甸附近，师部及直属部队位置于古北口之关帝庙。
10日上午7时30分，73旅甫部署完毕，敌机一架即来古北口上空盘旋侦察，约1小时后投弹而去。午前9 时敌机五架又来盘旋轰炸，以后每小时一队敌机，往返轮番轰炸，竟日未稍停止。中国军队既无对空作战的有效武器，又无对空作战的经验。古北口长城一带高地都是坚硬的岩石秃山，构筑工事及掩蔽部极为不易，在潮河支流上游有少数树木，亦为敌人投弹目标。因此，在敌机低空轮番轰炸之下，中国军队未战之前已有相当的伤亡。这可能是日军侵略我东北以来惯用的战法，企图以飞机轰炸吓退我抗日军。日寇见中国军队被轰炸后屹然未动，遂于下午3时以炮兵掩护步兵向我25师最右翼龙儿峪阵地及112师右翼将军楼阵地开始攻击。敌人攻击正面虽广，但并未实行强攻，很显然，这种攻击是威力搜索的性质，作明日实行总攻击的准备。
根据当时的情况判断，敌人可能从我最右翼的龙儿峪阵地进攻，企图突破中国军队一翼后，沿潮河支流大道包围古北口守军之后路。关麟征和杜聿明决定即将73旅145团的主力，增加到龙儿峪方面，左翼与112师的将军楼连接，右翼延伸至龙儿峪以东500米高地之线；并调75旅（欠150团）集结于古北口东关相机策应。另派75旅149团的一营，于通司马台大道警戒中国军队的侧背。午后6时敌以威力侦察的目的已达，退回原线。中国军队乘夜间调整作战部署，准备迎接明日的激战。
3月10日下午3时，日军以一部兵力在炮火掩护下进行下面宽大的战斗侦察性进攻，数小时后撤退。
11日拂晓，日军第8师团主力向右翼阵地发起进攻。以飞机及炮火掩护其主力向我龙儿峪及将军楼阵地攻击；当时，穿着草鞋的官兵，在腊月的冰天雪地中与日军的飞机大炮对垒。至十时许，将军楼我112 师阵地被敌突破。当时守古北口正面的112师部队，既不支援将军楼的战斗，亦不固守古北口正面，仅于河西镇留步兵一团收容该师退却；古北口守军亦自动撤退。敌人占领古北口关口后，即乘胜以主力向我25师右翼龙儿峪阵地包围攻击。我守该地的145团，受敌两翼包围，伤亡惨重；而占领将军楼之敌又以猛烈的步炮火力封锁潮河支流上的交通，该团与旅部的交通电话，均被截断。
同时古北口南城的战斗亦很激烈。当时关麟征决定要杜聿明指挥古北口南城正面的战斗，关麟征亲率特务连赴右翼前线，指挥75旅主力。出古北口东关不远，即与敌人的战斗前哨发生遭遇。后关麟征亲率149团拟强占潮河支流北岸（干沟）高地，走到山腰，即遭敌人的潜伏侦探狙击，双方短兵相接，关虽首先被手榴弹击伤，仍继续指挥149团与敌搏斗，双方相继增援，战斗极为惨烈。中国军队终于将敌人击退，占领高地，并与145团取得联系。是役149团团长王润波阵亡。据关麟征说，在他身旁的士兵由于不会使用手榴弹，未拉引线即行掷出，结果并不爆炸，否则他是不会受伤的。他认为这是一次惨痛教训，所以后来他要求25师士兵，每人都要投几个手榴弹才算及格。
关麟征受伤后，即调73旅旅长杜聿明为副师长代理师长职务，146团团长梁恺调为73旅旅长，继续作战。
杜聿明
(1904～1981)字光亭，陆军中将，陕西省米脂县人，长城抗战时为25师旅长，代师长。黄埔一期的学生，毕业后参加了东征。1932年，杜聿明被任命为25师73旅旅长，隶属第17军。1933年25师奉命从徐州、蚌埠等地北上，参加了长城抗战，与日寇大战于古北口一带。1938年装甲兵团扩编为第200师，杜任师长；年底，200师扩编为第11军，杜任副军长，不久升任军长。他率部与日寇大战于广西昆仑关，击毙日12旅团班长以上官佐85％，士兵4000余人，旅团长中村正雄也被击毙。
午后6时许，河西镇112师的一团又擅自撤退，25师即派75旅的150团推进至河西镇占领阵地，以巩固中国军队左翼。同时以骑兵连由北甸子经汤河向敌后迂回，以威胁敌之左侧背。激战竟日，25师仍保持原阵地。
11日晚，杜聿明与75旅旅长张耀明，综合研究当时情况，认为敌我兵力悬殊，25师除在河西镇之150团伤亡较小外，其余均伤亡惨重。目前第一线又与敌人胶着，欲抽调兵力缩短战线，势不可能；倘明日敌增兵从我任何一 翼迂回，或我某一阵地被突破时，均无兵力以挽回战局。为迟滞敌人前进、以待我后续部队到达计，决心以仅有的两连预备队及师部特务连，即晚在古北口以南高地及南天门一带占领预备阵地，在不得已时掩护师主力逐次转移到预备阵地，与敌作持久战斗。
12日拂晓，敌增加重炮及飞机向我全面攻击，主力指向一四五团，同时以大部兵力向我右翼延伸包围，战况较前两日更为激烈。官兵虽死伤相继，仍与敌顽抗，连续击退敌人三次攻击。在12时前后，仅有的电话总机及无线电报机均被敌机炸毁，前后方失去联络；消息不通，后援不继，前方部队各自为战；同时向我右翼包围之敌有增无已。午后2时，敌已迂回到古北口东关附近，驻在关帝庙的司令部已被敌机关枪封锁，又无预备队以应付迂回之敌。此时，杜聿明与张耀明仓卒离开司令部，到古北口南高地的预备阵地指挥。
预备阵地与各部队间的电话亦被炸毁，阵地已被敌人截为两段。午后3时左右，杜聿明在指挥所看到第一线部队，自右翼起且战且退，已逐渐崩溃；由古北口东关，沿潮河支流谷道中，渐有官兵溃散下来。不久，两旅阵地（除150团河西镇阵地外）完全崩溃，沿潮河支流溃退的大部队，成为敌人瞰射轰炸的有利目标，因而伤亡更为惨重。73旅旅长梁恺负伤，各部队长对自己部队都失了掌握，未能按照预定计划转移阵地。仅有少数部队在古北口以南高地及其西南的南天门占领阵地，河西镇的150团仍在原阵地，与敌隔河对战。
3月12日，日军增兵进攻古北口，以主力对守军阵地右翼延伸包围。战况异常激烈。守军连续击退敌3次攻击。午后，日军迂回到古北口东关附近。守军第25师各部通讯联络中断，形成各自为战。部队遭受重大伤亡，全线退至蓟县西北的南天门及其左右阵地守备。第一四五团一部远离主力，未及撤退，继续抵抗，毙伤日军百余名。
12日午后6时左右，杜聿明转移到南天门时，看到溃退下来的部队混乱异常。此时南天门阵地上，除师特务连及少数部队占领阵地外，其余部队都失去掌握，甚至有少数零散官兵，一直向石匣、密云逃走。不久张、梁两旅长先后到南天门，才派出参谋传令，分头收容各旅官兵，逐渐占领阵地，与敌对峙。入夜杜聿明为了缩短防线继续抵抗，乃重新调整布署，令75旅的150团由河西镇撤退至南天门以左高地占领阵地，南天门以左地区归75旅守备，南天门以右地区归73旅守备；师指挥所设于南天门。
郑洞国
(1903～1991)字桂庭，湖南省石门县人，陆军中将，长城抗战时为第2师4旅旅长，参加了南天门战斗。黄埔军校第一期学生，1933年长城抗战开始后，第2师奉调北上，郑洞国率部参加了南天门保卫战，部队打得极为惨烈。1936年，郑洞国接任二师师长职务。1937年“七七”事变后，郑率部与日寇战于冀中、豫北一带，以后又参加了台儿庄大战。台儿庄战役结束后，郑洞国升任98军军长，率部参加了武汉会战。
12日晚，第17军军长徐庭瑶已到达密云，徐与杜通电话后，决定命令第二师星夜向南天门急进，接替25师防务。13日上午五时前后，第二师郑洞国旅（第4旅）已到南天门，未及休息即接替阵地；第25师交防后，撤回密云整补。
至12日第67军古北口失守，第25师退守南天门一带阵地。13日，由第17军第2师(后为52军第2师)接替第25师防务，次日第83师投入战斗，击退日军后，双方对峙。4月21日起，日军分三路进攻南天门附近阵地，局部工事被摧毁，守军伤亡惨重，仍顽强抗击。24日，敌得第4旅团一部增援后，向南天门正面及其两侧阵地猛攻，并施放烟幕掩护坦克、步兵多次冲锋。17军第2、第83师、骑兵第1旅、炮兵第4团顽强抗击，激战至28日，由南天门撤守磨石山、大小新开岭、北香岭、丰城庄之线。日军继续进攻，第17军3个师在上述地区以及笔架山、南香峪等地苦战13天后，于5月13日撤至密云。至此，中国军队在古北口以上万人的伤亡代价，抗击了武器装备占优势的日军近70天。
12日4时，日军再度发起进攻，战斗更为激烈。至午后3时，右翼第145团伤亡殆尽。师属各部与师指挥所联络中断，形成各自为战的状态。守军各部不支，纷纷溃退，古北口被日军占领。到下午5时，师属各部退到南天门左右高地之线，其防御任务由第2师接替。日军占领古北口后停止前进，中日双方暂时形成对峙。对峙期间，日军不断以小部队对第2师阵地发动攻击。均被守军击退。
血洒疆场
3月13日，第25师撤至密云整补，防务由第二师黄杰部接替。至4月中旬，日军未敢轻易冒进。中国守军充分利用作战间隙，加强阵地构筑。4月21日，日军第16旅团主力攻南天门3个望楼高地，一部攻南天门两侧高地，经苦战，侵占八道楼子。守军虽两次反击无效，但仍坚守南天门等处。至4月25日，第二师连续作战5昼夜，伤亡甚大，疲劳已极。敌继续以炮火轰击，终日未止。当晚，由第83师刘戡部接替南天门防务。第83师与敌激战至4月28日，直至高地全化为焦土，才放弃中央据点高地南撤。日军占领南天门。此役，日军死80人，伤236人。
值得可歌可泣的有两件事：一件是，145团派出的一个军士哨因远离主力，未及撤退，大部队崩溃后，该军士哨仍在继续抵抗，先后毙伤日士兵百余名。后来日军用大炮飞机联合轰击，始将该哨歼灭。日军对这军士哨的英勇精神，非常敬佩，曾把7个尸首埋葬起来，并题“支那七勇士之墓”。
另一件是，3月9日，当关麟征率领部到达密云以北石匣镇时，接到何应钦“停止前进，就地待命”的命令。关麟征想：如果就地待命，延误时间，则日寇有可能占领古北口及其以南的南天门防线。这不仅影响在长城抗战的友军，而且平津危矣。他审时度势，毅然“抗命”，将部队开到古北口前线接防。为了夺取潮河支流对岸高地有利地形，他亲率一四九团猛烈反击日军。双方短兵相接，战斗惨烈。关麟征被敌人的枪榴弹炸伤五处，浑身是血，但他仍力战不退。身旁官兵十余人全部战死，他仍毫不动摇，从容指挥全师官兵英勇杀敌，终于击退了敌人占领了高地。仅前三天，就歼灭敌军二千余人，是役仅以四个步兵团独当优势之敌（满洲派遣军西义一第8师团全部及骑兵第3旅团）；既无坚固阵地可凭，友军又不协力抗战；加以官兵政治训练很差，虽有抗日爱国的热忱，而无对日作战的经验与技术，以故伤亡极重，全师伤亡4000余人。
关麟征因作战有功，获得国民政府颁奖的青天白日勋章一枚。《大公报》主笔张季鸾亲自撰写社论“爱国男儿，血洒疆场”，以贺其功。
