而此时驻守古北口的东北军王以哲部已经和日军血战4昼夜，这在当时的东北军中是不多见的英勇抗敌的战例。但是由于损失太过惨重，士气低落的东北军已经于25师赶到之前自行撤离。
古北口阵地陷入了一片混乱之中，日军第8师团则趁机发起进攻，古北口城关便被日军攻占，仓促投入战斗的关麟征只得下令在关南构筑二道防线。
25师赶到刚刚3个小时，日军便对古北口发动了进攻。敌机成群结队飞来，对我方阵地狂轰滥炸，成串的炮弹落向城头、山沟，炸得城崩岩裂，树断石飞。
中国军队的阵地被吞噬在一片浓烟烈火之中，士兵伤亡极大。尽管如此，他们也没有后撤一步，并且击退了日军步兵在炮火掩护下的试探性进攻。
在双方交战之时，关麟征率领师部特务连亲临一线，结果不慎被日军击伤，时任副师长的杜聿明接替关麟征指挥作战，险而又险的击退了日军进攻。
3月12日，古北口之战进入白热化阶段，第25师的通讯线路被完全破坏，前线各部与师指挥所失联，国军阵地也被日军突破而一分为二。
日军对我军阵地发起了猛烈的进攻，第25师誓死血战日寇。
激战三天后，我军死伤过半，低级军官几乎损失殆尽，伤亡约4000余人，击毙日军约2000余人，战斗十分惨烈。