南口是扼冀察與山西的咽喉，其地形多崇山峻嶺，關隘重疊，易守難攻，乃古今兵家必爭之地。

日軍也清楚認識到南口在軍事上的戰略地位。從平綏路進軍山西，可以奪取整個華北;另外可以清除后側之威脅，保證日軍順利南下。日本政府抽調精銳部隊有：鈴木重康率領的獨立混成第十一旅團、酒井鎬次率領的獨立混成第一旅團，以及板垣征四郎率領的第五師團共計兵力在七萬人以上。因此南口天險對日軍來說，是勢在必得。

湯恩伯在南口防御，主要依靠兩個人。一個是第四師副師長陳大慶。湯軍急援南口，當地僅派參議作形勢之聯絡，對南口方面的地形，還是陳大慶自己去摸清楚的。他在橫嶺城，組織臨時司令部，用電話指揮前線部隊作戰，聽取敵情，隨時遣調布置，同時向后方高級長官報告，或傳達上級命令。他對于前方地形相當熟悉。

另一位是第八十九師師長王仲廉，他訪問懷來城內八旬老者，詢問八國聯軍是如何攻下南口天險的？8月4日，“為明了南口一帶地形現象，以便戰術應用，達成戰略目的”，他攜副師長、參謀長、旅、團長諸人，同往南口及兩翼山地視察。接著采取了縮小南口正面防御陣地，固守兩翼高山作戰計劃。將南口車站……改為前進陣地，而將主陣地移至南口及兩翼山麓、山腹。”總之利用“復雜地形”，決定配備縱深陣地，以阻敵軍，達到持久戰消耗敵人之目的。

湯恩伯是蔣介石的嫡系，蔣很賞識湯的才華。湯經常向蔣呈遞“手本”獻策。第十三軍在百靈廟一戰后，奉命屯兵平綏路，其指揮部設在平地泉。7月9日，當湯恩伯聽到盧溝橋事變的消息，立即上電蔣委員長：“盧溝橋事變傳來，愈感邊防危急，職除督飭所部堅固駐地防御工事外，并飭屬隨時準備待命中。關于冀察當局方面，亦正設法聯絡中。”第二天，湯便收到蔣的回電：“所見甚是，希妥為準備應付時局外，并對于冀察方面密切聯絡，務期中央與地方融成一氣為盼！”接著湯恩伯給第一戰區的軍政要人宋哲元、馮治安、秦德純等去電稱：“本軍戍駐邊陲，責任衛國。貴方如有所需，請時予指示，誓率所部，為貴軍作后盾。”一星期以后，湯恩伯又上電蔣委員長暨軍政部長何應欽，表示十三軍將士誓死抗戰的決心。平津兩地陷敵，日軍向北平的沙河、昌平一帶集中，南口戰役即將揭幕。

湯恩伯是南口戰役的前敵總指揮，又兼第十三軍的軍長。旗下兵力近六萬人。包括兩個軍、兩個師及一個旅。而第十三軍是南口戰役的主力;全軍人數有兩萬八千人。第十三軍是中央軍嫡系部隊，其素質和裝備較其他部隊為優秀。

從7月底至8月底，蔣介石幾乎每天給前敵總指揮湯恩伯發指令。有時一天兩三次。1937年8月18日，蔣介石致湯恩伯電：“湯總指揮，兄部無線電報應每日晨、午、晚三次與京中通電，懷來等據點城防工事已成否？盼復。中正手啟。”

8月13日，湯恩伯給羅芳團長電令稱：“南口陣地，關系國家對抗戰之成敗……尤其吾人賴以抵抗強敵者，為戰斗精神，而非大兵與精良之武器，吾儕誓死決不離開陣地寸步。人生百年，終須一死，好漢死在陣頭上，即為軍人光榮之歸宿。”“請以此意轉告與吾儕同生死、共患難之全體官兵，倍加努力，爭取勝利為盼！”又給王仲廉師長電示：“南口陣地，即為吾儕光榮之歸宿。我死則國生，我貪生則國死，吾儕寧死盡以維護此陣地，并不幸求生還也。并轉告全體同生死之官兵們！”茍吉堂在《南口之役》一書中稱：中國軍隊“固守南口之惡戰，已達白熱化，有形之實力，固已對敵戰斗作最有效之使用，而在無形的精神因素上，亦已發揮到最高限度，形成有我無敵之氣勢，此實為湯總指揮守備南口指揮作戰之偉績。”

作為戰役的前敵總指揮湯恩伯責任重大：他首先考慮的是如何指揮好這一場戰役，打好這一場仗。他把總指揮所放在懷來城內;但經常去師、旅、團指揮所，與下屬將士商討如何打擊敵人，同時還鼓勵官兵為國爭光。湯恩伯只有兩個傳令兵隨身跟著他，那么衛兵、勤務兵呢？早已加入火線去了。他到前方去指揮，對著兵士沉痛地說：“我們要好好的打呀！”他只能說這樣簡單的話了。他一看到自己的兵士，眼眶里就充滿了淚水。兵士們見到這樣一個人，也認不得他是誰了。猛然認出，這是軍長呀！當他們想過來這個人與他們的關系之時，也感動得流出淚來。

著名記者范長江在當時《大公報》上報道：“湯恩伯先生因為日夜辛勞的結果，瘦得不成樣子，兩個眼睛深深的凹入，整個身體剩下了皮包骨頭。”“故日夜操勞精密指揮，已半月未曾得一安眠機會，整天和電話、地圖接近，時時注意敵人一尺一寸的移動”。

8月25日，日軍猛攻橫嶺城和居庸關;接著日軍隨即在飛機、大炮的支援下，攻擊懷來城。這樣，長城線上各據點守軍已處在日軍前后夾擊態勢下。張家口已失守;衛立煌部隊仍未聯絡上。加上居庸關、橫嶺城告急。湯恩伯當天晚上將戰況緊急電告蔣介石。蔣于26日上午來電，仍叫“死守陣地，切勿再退”。作為前敵總指揮的湯恩伯，經過周密分析和正確判斷，決定于下午1時30分下令要全軍突圍。退卻令下達后，第二十一師、第八十九師分兩路突圍，都到甘家堡、辛店集結。第七十二師、第四師經洋河左岸，向土木堡一帶集結。獨立第七旅固守懷來，并掩護其他部隊轉移。第八十四師，向長安嶺、沙城一帶集結。第九十四師，一部開赴涿鹿擔任城防;另一部占據延慶以東陣地以掩護二十一師、八十九師轉移。總指揮部已轉移至桑園。撤退令到達各固守點時，各部隊仍在與深入圍困我陣地的敵人激戰，各處的戰場幾乎是交錯混亂的膠著狀態。為了脫離接觸，激戰晝夜不停。直到8月27日，轉移中的部隊，仍與四面來襲的日軍苦戰。湯總指揮再令各部分別向廣靈、蔚縣、謝家堡、龍門口、馬水口等地集結。

南口激烈的攻守戰，歷時20多天，中國軍人以傷亡33000人以上的代價，殲敵15000人。第十三軍是這一場戰役的主力，傷亡12600人，占全軍人數28000人的45%以上。這一場防御戰，中國軍人打得勇猛、頑強、悲壯、機智。打掉了日本皇軍不可戰勝的神話。創下了一次戰役日軍死傷萬人以上的紀錄，延緩了日軍攻占山西的時間，使日軍“三個月內滅亡中國”的迷夢破滅了。當時，中共中央機關報《解放》周刊短評寫道：“不管南口陣地事實上的失卻，然而這一頁光榮的戰史，將永久與長城各口抗戰，淞滬兩次戰役鼎足而三，長久活在每一個中華兒女的心中。”