古北口抗戰後，自3月13日至4月20日，將近40天中，敵人未敢輕於冒進；一方面固然在玩弄外交陰謀，另一方面對於下一戰役不能不集中更大兵力，作更周密的進攻準備。
緊接著，日軍為了進一步對蔣介石施加壓力，以達其逐步控制華北的陰謀，決定首先集中兵力擊破中央軍；
自4月15日起，即將灤東兵力逐漸向古北口方面轉移。除兩羲一第8師團外，有阪本政右門第6師團主力，中村第33旅團（混成旅團，內有滿蒙偽軍及滿韓聯合軍約6000人），並附有強大的空軍、炮兵、坦克等部隊。
我軍鑒於古北口之戰的經驗，充分利用作戰期間，加強陣地的構築，並修築陣地內的交通，以利炮兵的活動。
在南天門陣地，右自潮河岸的黃土梁起，左至長城上的八道樓子止，正面寬約10裏的中段以421高地為據點，編成系以抵抗巢為核心的縱深配備；並於南天門陣地後方，構築六道預備陣地。
在雙方對峙期間，我軍各師自發地派遣別動隊，迂回敵後襲擊敵人。如4月5日第2師別動隊在色樹溝以短槍、手榴彈狙擊，斃敵騎兵第8聯隊軍官一員，士兵數十名，並炸毀敵汽車數輛。
第83師由魏巍（不久升為團長）率領的別動隊，襲擊古北口北關，給敵後方部隊以沈重打擊。4月11日，同時在敵左右翼與敵之遊動部隊激戰。
我別動隊曾將偏橋通承德的汽車道破壞，使敵方接濟為之斷絕者多次。
當時，日文報紙曾說我軍在運用苦魯巴金戰術，這種情況為何應欽知道後，曾責備各師長說：
「你們這樣幹，會惹起敵軍進攻的，你們不出長城口去打他們，他們是不會大舉進攻的。」
國民黨第17軍軍長徐庭瑤
徐庭瑤也認為，敵人大舉進攻南天門，是各師別動隊在敵後活動所引起的，他在戰鬥報告中就這樣寫：「此為戰事劇烈之一大原因也。」
南天門之戰，可以分為兩個階段：
第一階段：4月21日至28日。
在戰鬥開始之前，4月16日，敵機轟炸第2師師部駐地石匣鎮，18日，又轟炸第17軍軍部駐地密雲縣城。
20日夜，敵軍派一個大隊的兵力由古北口一個姓李的漢奸（原任保長）帶路，偷襲了南天門左翼制高點八道樓子（該處有八座碉樓故名）。
這八座碉樓建在很險要的山上，是南天門陣地左翼支撐點，原命令第二師派一營兵力防守。
而第2師師長黃傑卻認為，日本兵穿皮靴，無論如何是爬不上這幾座碉樓的，決定只派一個連防守。
這些官兵也以為地勢險要，放松了警戒。可是，一夜之間，這八座碉樓全部被敵占領。
擔任守備的是第2師第6旅第11團。當時，黃傑大為震驚，據說，他將八道樓子失守的情況向徐庭瑤報告時，徐在電話中嚴責黃傑說：
「你們怎樣失守，你們就負責任怎樣收復。」
第6旅旅長羅奇，反攻無效，第4旅旅長鄭洞國率第8團並指揮第6旅的第11團繼續反攻。可因為敵人居高臨下，仰攻徒遭傷亡，遂決定於22日夜間，把陣地變換到田莊小桃園之線。
23日午前7時起，敵人利用八道樓子瞰射之利，以陸空軍聯合向南天門陣地的中央據點421高地猛烈攻擊，進攻四次，均被擊退。
24日午前6時起，日軍繼續攻擊，尤以午後的戰況最為激烈，我守軍第11團傷亡頗大，旋派第7團前往增援，卒將敵擊退。
25日，敵繼續以炮火向該陣地射擊，終日未止。第2師苦戰五晝夜，傷亡甚大，疲勞不堪。於25日夜間，由第83師劉戡部接替南天門陣地的防守任務。
26日拂曉，第83師接防甫畢，日軍再次集中炮火向421高地猛攻，我軍防禦工事全被擊毀，而後，敵以步兵猛撲，經該師第497團頑強抵抗，激戰至下午，因傷亡過大，終於放棄了這一重要據點。
堅守陣地的中國軍隊 圖片來自網路
28日上午5時，日軍開始集中火力向我南天門附近的372高地及425高地射擊，其步兵分三縱隊向我猛沖，同時，以坦克車掩護騎兵向我左右翼威脅。
第83師第497團及補充團的一營，與敵激戰竟日，營長三員均負重傷，陣地工事完全被敵毀壞。因此，於晚變換陣地，占領南天門以南600公尺的預備陣地。
八晝夜的血戰，敵人傷亡之大，為「九一八」以來所少有，而戰線仍膠著在南天門附近，殊出敵預期之外。
第二階段：5月10日至14日。
4月29日以後，日軍雖停止大規模進攻，每日仍以炮火向我陣地零星射擊，時常以小部隊向我襲擊。
5月10日，敵步兵500余人，在炮火掩護下，向我車頭峪陣地進攻，被第83師第493團擊退。
11日1時，敵第31、第32兩步兵聯隊約5000人，向我稻黃店湧泉莊及其以南高地，用密集隊形夜襲，戰鬥非常激烈，第83師的第四九三團及補充團損失極大。
午前5時，敵坦克車六輛沖至上店子，威脅我軍側背。午前7時敵機八架在我陣地上空往復轟炸，協同敵步炮兵攻擊，形成混戰狀態。
午前8時，敵炮70余門協同步騎聯合兵2000余人，攻我左翼筆架山陣地，第494團竭力抵禦，激戰至午，團長魏巍受重傷，中校團附汪興稼陣亡，士兵傷達2/3。
由於該師傷亡巨大，全線崩潰，不得已撤至後方五裏的預備陣地，復以第2師接替第83師的戰鬥任務。
第83師師長劉戡以該師一晝夜間遭到慘重損失，被迫撤離陣地，感到非常悲憤，曾企圖拔手槍自殺；當時被參謀處長符昭騫、作戰科長吳宗泰二人搶奪了手槍，這次自殺沒有實作。
11日午後，敵乘第2師鄭洞國旅占領陣地未完畢之際，復向我磨石山、大小新開嶺、香水峪一帶陣地大舉進攻，並以坦克10余輛，沖至白水澗附近，截擊我後方的交通。
繼而，又增加兵力，乘夜猛攻我小新開嶺左翼405高地。12日，敵復增加兵力，全線進攻；第2師各團傷亡慘重，遂撤至後方七裏的新陣地。
此時，第25師覃異之團（第149團）尚在西北嶺及下會之線與敵激戰，支持至13日，始撤至後方六裏的新陣地。
12日下午3時，敵攻占我大小新開嶺一帶陣地後，乘勝向石匣鎮攻擊，第2師在搖亭南香峪之線與敵激戰。
傍晚，敵坦克10余輛沖至南茶蓬我炮兵陣地，炮兵第4團第9連軍官全部傷亡，炮四門被毀。同時，我在潮河西岸的炮兵被敵重炮轟擊，毀炮三門。
由於我炮兵受嚴重損害，火力間斷，敵之戰車更加活躍，激戰至13日午，我軍全線後撤。
堅守陣地的中國軍隊 圖片來自網路
徐庭瑤令守潮河右岸的第25師，抽出一個旅向左翼延伸，占領後方八裏之新陣地，掩護第2師撤至黃崗峪不老屯之線。
13日午後1時，第25師第73旅向左翼移動（此時該師第75旅仍在城子村小槽村原陣地與敵激戰），第73旅第146團未及占領陣地，即遭到優勢之敵攻擊。
此時，敵戰車已越過石匣鎮三裏許，沖至我南山口附近陣地，午後4時，敵炮兵向石匣鎮集中射擊，掩護其步兵前進，石匣鎮遂陷敵手。
第146團在南山口與向南追擊之敵激戰，死傷甚大，夜間12時，退守後方六裏之新陣地。
14日拂曉，敵步騎炮聯合2000余人在空軍掩護下向我潮河右岸陣地攻擊，其戰車20余輛由潮河灘上突進，與我第25師激戰三小時，敵向石匣鎮方向退去。同時，黃崗峪不老屯之線亦發現敵之小部隊進行擾亂。
連日以來，第17軍各師死傷又達4000余人；如不補充，實不能再作有力之抵抗。
隨即，奉令以第26軍於14日夜進入九松山預備陣地。第17軍除第25師一部擔任石鐵峪五座樓之線警戒任務外，余調密雲整理補充。
15日，各師開始移動，17日復奉命調回懷柔、順義之線，第83師奉命擔任北平城防。
