部隊將處於腹背受敵的不利境地，而且有被敵前後夾擊而全軍覆沒的危險。傅作義不得不分兵作戰，令第72師、獨立第7旅馳援南口，親率第200、第211旅回援張家口，並會同第218旅夾擊日軍，以掩護我軍撤退。

8月21日，日軍調集重兵向張家口發動猛烈的進攻。時值傾盆大雨，守城部隊在泥濘的雨水中與日軍展開肉搏，喊殺聲與雨水聲響成一片。但駐守右翼城垣的劉汝明一部不支而退，致使兩翼守城陣地陷入重圍，而劉汝明又未能組織有效的反擊，貽誤了戰機。至27日午後，日軍大部隊衝入市內，劉汝明率部突圍，向宣化、涿鹿一帶轉移。

張家口戰事的失利，使南口守軍處於背腹受敵的困境。湯恩伯不得不收縮防線，調整部署，與高桂滋的第17軍在南口、居庸關、延慶、懷來一線，憑藉長城天險，奮力抵抗。然而，援軍遲遲未到。傅作義部的陳長捷第72師21日在橫嶺與敵相遇，激戰竟日，雙方傷亡均重。衛立煌部行至永定河右岸時，即遭日軍狙擊，未及展開作戰，旋即撤走。這樣，南口一線守軍孤立無援，處境更為困難，而且守軍將領面對機動性強、裝備優良的日軍，一味依重單純性防守，同敵進行陣地消耗戰，以致兵員越拚越少，“處處居守則處處薄弱，易被敵擊破。”　24日，敵竄至康莊。經旬餘血戰，8月25日南口失陷。

南口是京綏路東段的門戶。南口失，閻錫山一面震驚，一面抱怨他人，曾作一首《守南口》的詩：“中樞決策守南口，張垣當局不同情。原謀不戰全斯土，致使張垣等空城。”

南口戰役在抗戰初期雖