入门头沟以西山地堵击；令第20师团进入良乡西北山岳地带，向守卫在乎汉线及其西侧的中国第26路军攻击。
卫立煌第14集团军在周口店集结，尔后经西部山地北进。
在居庸关与镇边城一线正面，21日拂晓，日军向横岭城方面发动攻击。其主力一部向黄土洼及其以东高地猛攻。守军第4师第19团第1营伤亡殆尽。战至中午，第4师伤亡惨重。第72师第415团增援，固守灰岭子、长峪城之线。
日军一部突入长峪城北沿守军阵地。第72师第416团增援反击，将所失阵地夺回。尔后，日军向灰岭子第72师阵地正面攻击，并以一部向镇边城迂回，一部突入横岭城南方高地。22日第14集团军右翼第83师在干军台与日军牛岛支队一部遭遇，当即展开战斗。战至24日，第83师留1部兵力继续在千军台与日军作战外，主力继续北进，但进至沿河缄时，被永定河洪水所阻，即改道青白石向大村西侧前进。该军左翼第10师于24日将牛岛支队另一部击溃于大村。
向镇边城西南迂回的日军与第72师第416团展开激战。日军将该团击退后，占领镇边城，并占领横岭城守军阵地后方的水头村。
日军猛攻横岭城和居庸关。中、日两军在这两点上展开激战。当日15时，日军坦克冲入居庸关。守军虽伤亡惨重，但仍占据山岭有利地形与日军作战。当日，占领水头的独立第7旅(欠第620团)与日军战斗后退守怀涞。日军随即在飞机、炮兵支援下攻击怀涞。正面长城线上守军已处于被日军包围态势下。
下午，汤恩伯下令守军突围。日军立即发起追击，第5师团一部当日占领怀涞。
独立混成第11旅团一部占领延庆。当卫立煌军第10师进抵镇边城时，战斗已经结束。
27日，张家口也被日本关东军占领。