3月12日，国民政府发布命令，批准张学良辞去各兼职，命军政部部长何应钦代理北平军分会委员长。
张学良辞职后，东北军重组为4个军，以于学忠、万福麟、何柱国、王以哲分任各军军长，归北平军分会指挥。
同时，蒋介石再调两个师增援，并先后召见了太原绥靖公署主任阎锡山、山东省政府主席韩复榘、河北省政府主席于学忠，以及宋哲元、庞炳勋、秦德纯等将领，商谈抵抗日军进一步向长城以内推进的问题。
热河失陷后，日军推进至长城沿线各口附近，其兵力部署为：
第8师团位于承德、古北口外地区，混成第14旅团位于喜峰口外及冷口地区，混成第33旅团位于界岭口外和义院口外，第6师团及骑兵第4旅团位于赤峰地区。
北平军分会代委员长何应钦和参谋长黄绍竑为阻止日军继续向长城各口侵犯，将参战部队重新进行了部署：
据此，中央军徐庭瑶第17军驻密云，守古北口、南天门、石匣镇一线；西北军宋哲元第29军等援喜峰口，守罗文峪；王以哲、何柱国、万福麟等东北军分守滦东、冷口、界岭口一线。
我军参战共14个军（含1个骑兵军）、36个师（含6个骑兵师）、19个旅（含8个骑兵旅、3个炮兵旅），约25万人。长城抗战由此拉开帷幕。
一、古北口、南天门及兴隆战斗
这是长城抗战中历时最长（自1933年3月7日至5月23日）、双方兵力投入最多的战斗。
1933年3月4日，日军第8师团占领承德后以第16旅团向滦平方向挺进，师团主力在飞行队支援下全力向黄土梁及其以西地区进攻。
为阻敌西进，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。
3月7日，令第112师及附属炮兵营归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师黄杰所部向通县集中。
第107师北进之时，因热河我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、弹药将尽，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，敌军冲入阵地，不得已向南天门撤退。随后，北平军分会急令第25师北上，防守古北口。
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第17军军长徐庭瑶（前）在古北口前线指挥作战。 图片来自网络
古北口为北平到承德的关口古道，是平津之门户，其东长城由南而北，其西长城由北而南，形成正面宽25公里的突出部，古北口正居其中。
口北为连续起伏的燕山，口南便是丘陵和平原，敌如占领该口，可直冲平津，故地理位置十分重要。
第17军第25师于3月5日抵达通县后。由于该军军部还在蚌埠一带，该师归军事委员会北平分会直接指挥。
3月8日该师奉令进驻密云。这时，古北口形势危急，军分会令其增援古北口。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。
11日拂晓，日军第8师团主力向右翼阵地发起进攻，战至上午10时，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，师长关麟征指挥第75旅驰援，出古北口东关不远即与敌遭遇，双方短兵相接，关师长负伤，团长王润波牺牲，但终将敌击退。
关麟征负伤后，第25师由第73旅旅长杜聿明代理指挥。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。
这时，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。
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长城南天门上的我军阵地，用枪口瞄准日本侵略者。图片来自网络
与此同时，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421.3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。
4月11日，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。
但是，何应钦怕引起敌人更大的进攻，令部队停止了袭击行动。不过，日军并未因此不再进攻，自4月中旬以来，不断向古北口方面增兵。
16日之后，日飞机即向古北口、南天门一带进行轰炸侦察，为大规模的军事进攻作准备。
20日拂晓，日第16旅团主力一部向八道楼子守军阵地发起进攻，另一部攻击南天门两侧高地。守军凭借险要地形打退了敌人的进攻。
当晚，日步兵第32联队第3大队由汉奸带路，偷袭南天门左翼高点八道楼子。这里地势险要，易守难攻，可守卫在这里的我军1个连的官兵麻痹，放松了警戒，致使敌偷袭成功，8座碉楼全被敌人占领。
4月21日，第2师师长黄杰严令第6旅反攻，该旅虽给敌以杀伤，但地处低下，仰攻不易，连、营长牺牲、负伤者甚众，终未奏效。
随后，黄杰又派第4旅旅长郑洞国率第7团，并指挥第6旅的第11团继续反击，因敌居高临下，徒遭伤亡，阵亡官兵1500名。
接着，第2师被迫于22日夜将阵地变换到田庄子、小桃园一线。
24日，日军又一次增加兵力，在飞机、大炮的掩护下，向南天门中央我军据点421.3高地连续冲击，守军第11团伤亡惨重。
至是日下午，师长乃令第7团增援，才将敌人击退。这时，第2师已连续战斗了5昼夜，伤亡甚大，疲劳已极，乃于当日黄昏后，将阵地交予第83师刘戡部防守。
而第83师防守的南天门右翼阵地交予第25师防守。
因第8军团总指挥杨杰他调，徐庭瑶代理总指挥。25日，又将部署作如下调整：第25师接替第83师守备地区，第83师接替第2师守备地区，第2师进驻九松山一带整理，以骑兵第1旅接替骑兵第2师的警戒地区。
26日拂晓，日军集中兵力向南天门中央阵地421.3高地进攻，敌之炮火将该高地工事夷为平地，尔后步兵在坦克车掩护下发起攻击。
守军虽奋勇作战，但因兵力、火力悬殊，第83师2团又1营激战数日，阵地全毁，作战失去依托，因而于28日晚，撤往南天门以南600米的预备阵地。
经过7昼夜的血战，日军付出相当大的代价才占领了南天门阵地。
当古北口战斗正激烈之时，日军以第8师团第4旅团第31联队的第3营大队为基干，附伪军5000余人，沿烧锅营、寿王坟、鹰手营子公路南进，企图威胁古北口侧背，掩护其主力作战。
4月20日，他们在南进途中，与守军骑兵第5师李福和部遭遇，该师败退，日军于21日占领兴隆，24日分向马兰、黄崖两关口进行战斗侦察，并以一部向墙子路方向活动，意在吸引中国军队的注意力，掩护正面进攻南天门。
军事委员会北平分会为清除侧背的威胁，令第26军萧之楚仅有2个旅兵力加强马兰关、将军关、黄崖关方面的防守，并于26日命其“将兴隆之敌驱逐于远方，以便保持龙井关及南天门侧背之安全”。
萧之楚随即进行部署：
将骑兵第5师编成骑兵支队，以骑5师师长李福和为支队长，向兴隆县东北龙潭沟、杨树沟之线搜集前进，掩护第1纵队右侧；
并将独立第4旅（欠1个团）和师属山炮、骑兵各1连编成第1纵队，以独立第4旅旅长王金镛为纵队长，向兴隆县荞麦岭、土城头一带挺进，并相机截断兴隆敌人北退之路；
同时，将第132旅（欠1个团）、独立第4旅1个团，另师属工兵、炮兵各1连编成第2纵队，以第132旅旅长于兆龙为纵队长，向兴隆攻击前进；
第3支纵队以第132旅的第264团编成，该团团长郝奇为纵队长，主要任务是协助第2纵队攻击兴隆之敌。
4月27日凌晨2时，各队向指定目标攻击前进。第1纵队和骑兵支队分别于晨5时和8时占领预定位置；第2纵队于4时到达兴隆，迅即抢占有利位置，向敌发起攻击；第3纵队随后赶到，即投入战斗。
经过激战，我军将兴隆县署和兴隆山之敌予以分割，但日军利用工事负隅顽抗。
上午8时，日军飞机六七架飞来轰炸，攻击部队未构掩体，无险可据，官兵伤亡300余人。
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被我军用机枪打下来的鬼子飞机残骸 图片来自网络
下午，敌机3架又来投弹，被中国军队击伤1架，降落于兴隆山麓。
是日黄昏，日军在县署300人，山上七八十人被包围，兴隆县四周高山林立，日军突围不成，增援不得，粮食全赖空投。
但是，中国攻击部队既无重武器，又无后援，无力歼灭被围的日军。4月29日，何应钦命令中止围攻，第26军主力退守墙子路长城一线。
二、喜峰口、罗文峪战斗
3月9日，日军混成第14旅团一部到达喜峰口外后，立即向防守该地的万福麟部进攻。守军一触即溃，当日，日军占领第一道关口。
此时，第3军团第29军第37师第109旅增援到达，立即投入战斗，稳住了形势。
第29军原集结于三河、玉田等处，准备占领义院口至叨尔磴之线，阻敌西进。当热河形势急转直下、日军向长城线逼近时，宋哲元部于3月2日，开始从集结地向喜峰口方向增援。
喜峰口为冀东长城上的一个关口，口外群峰耸立，险要天成。长城蜿蜒，为华北之屏障，为冀、热之咽喉。喜峰口之左为潘家口，临滦河扼长城，右为铁门关、董家口。
第109旅展开后，迅速占领喜峰口及其左右的董家口、铁门关、潘家口各要点。此时，喜蜂口东北制高点已被日军占领，旅长赵登禹急派王长海团长率部反攻，激战数小时，肉搏数次，日军终将制高点夺回据守。
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在喜峰口抗敌的第29军官兵 图片来自网络
3月10日，双方爆发了争夺关口的战斗。日军在炮火掩护下向喜峰口及其两翼阵地猛攻。
赵登禹旅与前来增援的第113旅英勇抵抗，但因中国守军装备差，虽给日军以杀伤，自己损失亦极大。
此时，第29军主力已进抵遵化城。为争取主动、消灭入侵之敌，宋哲元决定进行夜袭。
其行动计划为：
一、第109旅赵登禹旅长率特务营及所属第217团（团长王长海）、第224团（团长董升堂）和第218团（团长童瑾荣）的1个营与第220团（团长戴守义）的手枪队出潘家口，绕攻敌右侧背。
二、第113旅佟泽光旅长率第226团（团长李九思）和第218团一部出铁门关，绕攻敌人左侧背。
三、第110旅王治邦旅长率第219团（团长刘景山）、第218团（加强第220团第3营）与各特种兵共守本阵地，并相机出击，以为牵制。
11日夜11时，左翼赵旅夜袭队轻装疾驰，于12日凌晨，分两路向蔡家峪、小喜峰口等处日军发起进攻。夜袭队手持大刀，奋勇冲杀。
此时，日军还在梦中，不少未及清醒即已身首异处。
次日4时，夜袭队与敌肉搏十余次，接连攻占小喜峰口、蔡家峪、西堡子、后杖子、黑山嘴等十余处敌据点，摧毁了驻白台子的敌指挥所及炮兵阵地，缴获敌作战地图等重要资料。
右翼佟旅夜袭队出铁门关，连歼跑岭庄、关王台之敌，在白台子与左翼夜袭队的王长海团会合，而后，南攻喜峰口东北高地之敌。
担任正面防守的王治邦旅在夜袭队攻击的同时，跃出阵地攻击当面日军。但由于所处地形在敌瞰制之下，守敌负隅顽抗、死守待援，加之冰雪坚滑，中国官兵攀攻不易，未获夹攻之效。
激战到下午3时，夜袭队和正面攻击部队方撤回原防。
日军混成第14旅团在喜峰口遭第29军反击后，于11日夜急向关东军司令部请求增援。
武藤信义令驻赤峰的第6师团及独立守备队一部增援兵力薄弱的混成第14旅团和混成第33旅团。
援兵未到之前，双方未发生大规模战斗，处于对峙状态，日军第8师团长西义一侦知罗文峪无重兵把守，遂调第4旅团及骑兵第8联队，附伪军2个旅，向罗文峪方向进攻。
罗文峪地处喜峰口西南50公里，南距遵化十多公里，长城自西向东在这里向南拐了个弯，为喜峰口后方联络线之侧背，两侧山势陡峭，隘路纵横。
其西的隘口名“山楂峪”，长城碉楼均尚完好，日军如果将该地占领，第29军主力阵地喜峰口将受到严重威胁，其继而长驱南下遵化，部署在平东（北平东部地区）的中国军队均将被断绝后路，中国军队在华北的防线势必全线崩溃。
守卫罗文峪的部队是第29军暂编第2师刘汝明部，而该师守备龙井关到马兰关长约50公里的地段，正面过大，兵力薄弱，仅赖长城之险。
3月14日，日军开始迫近罗文峪。宋哲元命令第37师第219团刘景山部、第38师第228团祁光远部增援刘汝明；令第38师第224团董升堂部向四十里铺集中；令第106师沈克部由蓟县以东向长城外兴隆方面前进，夹击南侵日军。
3月16日，从兴隆沿半壁山南进的日军遭到守军的顽强阻击，战至晚9时，日军退去。
17日上午8时，日军步炮兵联合，分向山楂峪、罗文峪进攻，并以飞机20余架轮番轰炸，守军奋勇死拒，多次肉搏，敌进攻1日亦未得逞。
是日晚，刘汝明抽调王合春营自左翼夜袭敌后，正面防守部队全面出击。激战至18日晨，日军伤亡甚众，被迫暂退待援。
当晚，师长刘汝明命李金田旅长率第1团乘夜潜出沙坡峪，向敌后进袭；祁光远团亦乘机从右翼潜出于家峪，奇袭马道沟、南场，使得日军全线动摇。
随后，刘汝明令全线出击，激战到19日晨，将古山子、三岔口、快活林、马道沟附近之敌全部肃清，部队向前推进10多公里，沉重地打击了日军的侵略气焰，振奋了全国人民。
三、冷口、界岭口、义院口战斗
日军混成第14旅团于3月4日占领冷口后，军委会北平分会当即令在滦河两岸构筑工事的第32军实施反击，收复冷口。
军长商震遂派第139师急行军，奔袭冷口日军，师长黄光华利用夜暗，将部队分3路袭击日军，于3月7日凌晨收复了冷口。
商震随即进行了防御部署：令第139师占领冷口正面及右至刘家口之间阵地，令第118师在其右翼，令第141师在其左翼占领董家口（不含）、大岭口至冷口（不含）阵地；又令第142师为预备队，控置于建昌营附近地区。
3月19日，日混成第14旅团再次集中兵力向冷口发动进攻，守军顽强抵抗，并多次组织反击，经反复激烈的争夺战斗，于22日将日军驱逐至口外十余公里之线。
3月23日，由赤峰增援的日军第6师团及配属的独立守备队一部到达喜峰口、冷口以北地区。
27日，关东军司令官武藤信义下达了首先向长城各口实施全面进攻、而后，越过长城向滦东地区进攻的作战命令。
4月9日，日军第6师团及混成第14旅团开始向冷口守军阵地发起猛攻。激战至11日，第32军阵地被突破，全军撤退至滦河西岸。日军随后跟踪追击，向纵深发展，占领了建昌营及迁安地区。
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第139师在冷口作战中牺牲的三位烈士，第715团3营营长张克巽、5连前后两任连长孟战顺、常相进
在冷口作战的同时，界岭口、义院口战斗也已展开，防守界岭口的是万福麟第53军的缪澄流第116师。
日军第33旅团于3月11日从绥中向界岭口挺进，16日拂晓发起攻击。由于日军兵力多、火力强，第116师稍事抵抗即后撤，日军随即占领关口，进到长城以内郭家厂、石家沟一带，而后，又退守界岭口。
第116师调整兵力部署，于17日乘日军后撤之机实施反攻，经过激战，占领界岭口两侧长城上的敌楼，并从正面迫近日军。
日军重新部署后，于24日晨5时发动第二次进攻，守军再度后撤。日军越过长城再进到郭家厂、468高地一线，尔后又退守长城沿线。嗣后两军转入对峙，直到4月中旬
义院口方向原由第116师的1个团防守，15日一度为日军侵占，尔后，又被我军克复。嗣后，交由第115师姚东藩部1个团防守。
3月21日，义院口左翼守军义勇军郑桂林部不战而向石门寨西北撤退，致使正面守军陷于孤立，姚师长乃令该团撤退，义院口失陷。
四、滦东战斗
3月27日，武藤信义下达向长城各口进攻的命令后，占领义院口的日军混成第33旅团协同新增加的第6师团一部兵力，首先于4月1日向滦东发起进攻，先后攻占了石门寨和海阳镇。
守军何柱国部退守秦皇岛。4月11日，日军攻占冷口、建昌营和迁安后，滦河以西守军的侧背受到威胁。
为避免腹背受敌，宋哲元第29军、商震第32军、何柱国第57军和杨正治第53军只得撤到滦河西岸，沿滦河布防。
随后，日军第6师团展开追击，先后攻占滦东的卢龙、抚宁、昌黎各县。至此，滦河东部、长城以南全部被日军占领。
日军占领滦东之后，国际形势发生了变化。当日军攻占冷口时，蒋介石向西方列强寻求支持，希望国联出面干预，制止日本的侵略。
虽然此时的英、美、法极不愿意卷入中日冲突，但华北毕竟不是日本的“传统”势力范围，在冀东唐山和秦皇岛，英、美海军以保护侨民为理由，作出了登陆的姿态。
这时，日本虽然退出了国际联合会，但在与中国交战之时，日本当权者对与西方列强对抗是有顾虑的。
因此，4月19日，日本天皇出面敦促军方停止在滦东的攻击。4月21日，关东军只得将进入滦东的第6师团等部队又撤回长城以北。
此时，军事委员会北平分会命令何柱国派第57军少数部队渡过滦河，谨慎跟进，到4月底，滦东地区又回到中国军队手中。
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