此时日军重武器已经运送到南口前线，并且马上开始发挥巨大作用。在国军夺回龙虎台的第二天，日军重炮开始猛烈轰击南口一线，炮火极为猛烈，国军守军遭遇很大伤亡。
89师最前线罗方珪团长的团部也被一发重炮炮弹击中炸塌，团部参谋，副官，卫兵等伤亡殆尽，罗本人受重伤侥幸未死，后在台儿庄战役中光荣殉国。
经过几日激烈前哨战以后，日军华北住屯军总司令香月清司下令独立混成第11旅团从8月11日开始全面进攻南口一线。
由此，两军开始了长达半月的残酷攻防战。
日军使用的这两支进攻部队都是日军中的精锐。
其中首先进攻的关东军铃木重康第11旅团是关东军精选出来投入华北战场的，
而后来增援的日军第5师团则更厉害，它是日军最精锐的17个常设师团之一，也是日军最早编组的7个师团之一，有钢军的外号。
由于该师团常驻日本广岛，也被称为广岛师团。广岛师团早在1888年就已经成立，到了1937年已经有半个世纪的历史。兵员全部来自日本本州西部中国山地地区的广岛、岛根、山口等地，现任师团长为板垣征四郎中将。
第5师团是日本精锐部队，是日军侵略的急先锋，参加过历次侵略战争，包括中日甲午战争，日俄战争，干涉俄国内战，太平洋战争等等。
仅仅在中国，就从华北一直打到广西，据称先后同70多个番号的国军师交过手，也曾多次被国军重创过。
第11旅团兵力约有1万人，第5师团兵力有近3万人，这两支部队装备极为精良，仅仅第5师团直辖的一个野战第5联队就有36门75mm野炮与12门120mm重型榴弹炮，单单这个联队的重炮就超过中国1，2个集团军。师团还配属坦克部队，更有日本空军的大力支持。
师团长是板垣征四郎，这家伙是侵华的急先锋，也是当年发动918事变的主将之一。板垣征四郎从小学习中国文化，所以精通汉语，是著名的中国通，和冈村宁次，土肥原贤二，矶谷廉介都是陆军士官学校的同一期好友。
板垣征四郎19岁时候作为一个排长参加了日俄战争，在战斗中受了重伤，也由此被送入日本陆军大学学习，毕业后授予大尉军衔。
从1917年开始，板垣征四郎被派往中国从事间谍工作，由此呆了5年之久。他对中国相当熟悉，也一直都是热烈的侵华派。
可以说从918到入侵热河，到满洲国成立，扶持伪内蒙古政权，出兵华北，建立汪伪政权都有他的影子。板垣征四郎对侵华费尽了心机，77事变正式开战之前，他曾经打着去五台山游玩的旗号，不坐飞机也不坐火车汽车，而是步行走了1000多里，沿着北京，张家口，涞源，平型关，滹沱河谷，忻口这条线走过了察哈尔省和山西省。当时中国舆论还有些奇怪，甚至赞扬板垣对于佛教很诚心。其实板垣此行是为了侦查将来的行军路线，可谓用心良苦！
但他们的对手也不弱，就是汤恩伯的中央军第13军。
13军是中央军的精锐部队，有第六大主力的称呼（本来国军有五大主力）。该军于1927年5月12日由武汉国民政府的第2军的5师、教导师（后改番号38师）和新建的39师合编而成，都是当时的精锐部队，兵员素质极佳。该军参与过多场重大战役，并且在1932年5月进行了重组。
以徐庭瑶第4师、汤恩伯第89师合编成13军，军长为蒋介石的心腹钱大钧，这两个师都是中央军的主力部队。
以第4师为例，早在1932年时它就已经下辖3个旅、6个团及2个补充团，合计8个步兵团，配备1个重迫击炮营，1个山炮连。每团辖步兵3个营，八二迫击炮及20mm小口径火炮各1连。每营辖步兵3个连，重机枪1连。每步兵连辖3个排，每1步兵排有法制哈其开斯式轻机枪2挺，该师总兵力1万多人。
这种装备在当时国军中来说是第一流的，当然跟日军自然无法相比。
以炮兵来说，装备最好的第89师也仅有日本大正式山炮9门，都是使用了十几年的老古董，射程已经降到4000米到5000米。
而第4师仅有几门小口径平射炮，还有2门苏联早期援助的老式火炮，是沙俄时期造的。这些苏联火炮虽然精度和威力还可以，但非常笨重。开战之前13军的炮兵们在当地老百姓的帮助下，用尽千辛万苦才将这两门火炮用绳子拉上了南口阵地的山上。由于火炮是苏式，而中苏早就断交，导致该炮的炮弹极为缺乏，只有几十发。这次为了作战，炮兵们把兵工厂制作的一些试验炮弹也全部送到前线了，完全是死马当活马医。
实战中，由于火炮上的巨大差距，让国军吃了大亏。
虽然武器装备上差别太大，唯一值得欣喜的是，该军经过严格训练，官兵多为黄埔出身，军事素质高，战斗意志顽强。
该军在1936年的序列为：军长汤恩伯。下辖邢震南第4师、王仲廉第89师，全军2万8000多人。
这个89师大家似乎比较熟悉（亮剑），实际上89师早在北伐期间就大名鼎鼎，师长就是汤恩伯，该师战斗力和战绩绝对不亚于第4师，是中央军的精锐部队，在当年比红军任何一个师的名气都要大上很多。
该军之前为了对付陕北红军东征而进入山西，之后又为了增援傅作义的绥远抗战而进入绥远，现在也是中央军各部中最靠近南口的一支军队。
日军铃木重康第11旅团主力在重炮，飞机和坦克的支援下，从11日起猛烈进攻南口外围的南口镇，龙虎台一线。
王仲廉的89师529团拼死抵抗，完全是有死无退，往往整排整连死在阵地上。
实际上13军内部黄埔系官兵抗日报国意志极为强烈，他们早在开赴南口之前全体官兵已经下了在此处殉国的决心。
得到赶赴南口的命令后，13军大部分官兵写了抗日决心书，从团长开始全部官兵还留下遗书。他们将除了武器弹药口粮以外所有私人东西全部留在后方（包括当月的军饷），遗赠给亲属。换句话说，这些将士根本没准备再活着回去。
日军在河北对付29军，几小时就能击破南苑29军主力，1，2天就可以攻陷北平城。
但整整打了3天，才勉强攻占了南口外围的南口镇，还付出了伤亡过千人的代价。
11旅团旅团长铃木重康对此极为不满，下令加大攻击力度。
但没想到，下面的进攻更是艰难。
国军以居庸关南口为核心，以险要的山势顽强阻击。日军强攻了3日，直到8月16日，付出了死伤累累的代价，却仅仅获得微不足道的进展。
日军开始进攻以阅兵式的所谓花架子式，以大队（营）为单位，整营的列队冲锋，结果因为人数较多，目标较大，在13军守军火力下伤亡累累，吃了大亏。尤其走在前面的日军排长，连长这类军官伤亡非常大。
日本官兵也不是笨蛋，在被当了几天活靶子以后，自发的开始疏散进攻队形，不再这样玩命。
之后日军开始以中队（连）为单位冲锋，目标小了很多，但实战中伤亡还是不轻。
到了这种地步，所谓大日本皇军尊严也就让位于先活命了，日军转为小队（排）甚至班为单位，以非常疏散的队形轮流冲锋。
几天战斗中，13军击毙了不少日军进攻士兵，但他们伤亡也不轻。
在日军攻击期间，13军守军开始在很远地方就开枪开炮射击，这样就暴露了自己位置。
后来日军发现步兵强攻损失太大，往往用小股部队冲击，只要国军一开枪，他们就连滚带爬的退下去。但这样一来，日军炮兵和重机枪就有了目标。
日军往往立即使用重武器向13军暴露的火力点轰击，由于13军重武器上太弱，根本无法还击，由此造成13军相当的伤亡。
几天以后，13军官兵总结经验采用新的战略。他们在日军还在较远的距离并不主动射击，在日军炮击的时候往往还躲在二线阵地的防炮工事里面。等日军接近阵地几百米甚至几十米以后，国军才立即进入一线阵地，然后突然猛烈射击和投掷手榴弹。一旦打垮进攻日军以后，他们就立即停火，让日军重武器找不到射击目标。
同时在日军冲锋部队被打垮以后，国军以连排等小股部队组织成反击部队，乘夜色渗透进入日军阵地，以近距离肉搏战形式攻击日军疲惫的部队。
当时13军官兵非常勇敢，他们以排长连长为代表，主动要求出战，甚至各部互相比较，看谁歼灭的日军多。
有些阵地白天被日军攻占，晚上又被13军夺回。在这种肉搏战中，国军既勇敢又机智，经常以数量劣势部队击垮日军大量守军，烧毁日军辎重，还击毁了两辆日军坦克。
这样一来，日军11旅团被搅得日夜不得安宁，疲惫不堪，加上兵力损失严重，元气大伤。
截止到16日，日军负责主攻的铃木重康第11旅团伤亡3000多人，占进攻部队的三分之一。
国军这边伤亡也不轻，南口一线，89师3个团全部用在第一线，其中罗芳珪529团近2000人中仅仅剩下400多人没有受伤，其他2个团伤亡稍轻。
居庸关一线作战也非常激烈，日军利用坦克猛烈冲击89师另外3个团的阵地。
面对坦克，国军没有好的办法，只能采用危险的近战。近战部队一般分成两批，一批带手榴弹，偷偷接近坦克，用手榴弹炸毁履带，使坦克瘫痪；一批利用坦克无法动弹的时机，攀上车顶，用手枪，步枪从瞭望孔射击，击毙驾驶员。
这种打法虽然能够摧毁几辆坦克，但前提是坦克附近没有日军步兵掩护。一旦坦克有步兵掩护，国军冲击部队就会有相当大的伤亡，也根本无法靠近坦克。看来要另外想办法。
聪明的89师少校参谋吴祖震带领工兵部队，使用日军飞机扔下的两颗没有爆炸的炸弹，改造成为土制反坦克地雷。吴和工兵们将炸弹埋在日军坦克必经之路的路口，结果第二日就当场炸毁了一辆日军坦克。由于日军航空炸弹威力大，这辆坦克被炸得四分五裂，剩下的日军坦克赶忙转头跑走，之后数日再也没有敢于开赴一线进攻。89师官兵乘机将阵地前道路全部破坏，坦克再也无法从此处经过。
其他各线作战都和南口居庸关差不多，非常激烈。
期间国军多次主动出击，日军也集中重兵冲锋。打到激烈的时候，89师官兵打光了子弹和手榴弹，就从山上投掷石头下去砸日军，宁死不退。一旦日军突入阵地前，89师所有能动的人全部上阵肉搏，连勤务兵，传令兵，炊事员，马夫都拿着刺刀冲上去了。
一时间喊杀声四起，到处都是血肉飞溅，战斗无比激烈。
日军一次次进攻，一次次被13军顶了回去。
由此中日两军已经在南口激战一周，双方伤亡都很大，都感觉力不能支，随即分别增兵。
尤其日军第11旅团由于孤军深入，后方补给运送不上。加上国军小股部队不断袭击其运输线，前线日军士兵弹药不足，粮食几乎吃光，后方又送不上来，只能靠飞机空投补充。同时大量伤兵也运送不下去，非常的凄惨。
铃木重康旅团长向第5师团要求增援，希望板垣征四郎立即率部赶到南口来，不然他的11旅团就要坚持不住了。
国军这边，在南口战役刚刚开始蒋介石就立即命令卫立煌的第14集团军加速南进南口的步伐，14集团军有好几个师，是一支生力军。
同时在蒋介石的命令下，朱怀冰的94师6000人和李仙洲21师都从山西开赴南口，两部的先头团在14日赶到南口一线，但大部队还在后方。
日军这边紧急命令刚刚在塘沽登陆的板垣征四郎第5师团主力立即赶赴南口一线增援，由板垣负责统一指挥第5师团和第11旅团的4万大军。
双方增兵以后，南口的战斗更为激烈。
