为阻敌西进，国军北平军分会乃令驻古北口一带的第107师北上，在青石梁一带占领阵地，掩护后方部队集中。第112师及附属炮兵营由67军军长王以哲指挥，向古北口推进；并令第25师向密云集中，骑兵第三师从沙河向白马关推进，第2师黄杰部向通县集中。
当第107师北进之时，因热河军溃败过快而致青石梁失守，该师乃在黄土梁附近进行抵抗。经过4天激战，终因敌我力量悬殊、官兵伤亡过多、dàn • yào将尽，于3月9日下午2时向古北口撤退。
此时，第112师张廷枢部已在古北口附近的将军楼、米窝铺、二道沟之线部署防御。
自9日起，敌步兵在炮兵和空中飞机的掩护下向守军阵地发起进攻。该师战到10日，因伤亡过重不支，日军冲入阵地，不得已向南天门撤退。
北平军分会急令第25师北上，防守古北口。
第17军第25师于10日上午该师抵古北口，当第112师不支而退、阵地出现缺口时，第25师第73旅即占领古北口镇南的东西两侧高地，第75旅集结在黄道甸附近，另以第112师1个团在第73旅右翼的将军楼担任防守。
3月10日下午3时，日军以一部兵力在炮火掩护下进行正面宽大的战斗侦察性进攻，数小时后撤退。
随后，日军第8师团主力向右翼阵地发起进攻，第112师不支而退。日军迅速占领了古北口关口，并乘胜向第25师右翼包围攻击。
防御该地的第73旅第145团因孤立突出被敌包围，师长关麟徵指挥第75旅驰援，出古北口东关不远与敌遭遇，双方短兵相接，关师长负伤，团长王润波牺牲，但终将敌击退。
关麟徵负伤后，第73旅旅长杜聿明代理指挥。
然而日军再度发起进攻，战斗更为激烈，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。
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。
第2师利用战斗间隙加构阵地工事，在南天门阵地右自潮河岸黄士梁起，左到长城上的八道楼子止，在正面宽约5公里的中段，以高地为据点，纵深配置，并在南天门后方构筑了6道预备阵地。
4月5日，军事委员会电令调第67军王以哲部增防滦西，由第83师接第110师防地，古北口方面全由第17军防守。
为配合冷口作战，第17军令第2、第83师各编1个大队对敌后方古北口背面和巴克会营进行夜袭，杀伤日军多人。何应钦怕引起敌人更大的进攻，令部队停止了袭击行动。