日军占领平津后，参谋总部决定兵分三路展开攻势：一路由平汉线南进，一路由津浦线南进，另一路沿平绥线西进，攻占山西的天镇、阳高、大同、太原，掌控华北战场主动权。
8月上、中旬，日本增派的第5、第6和第10师团先后到达平津地区，分别集结于丰台、廊坊、天津附近。计划8月中旬，日军**混成第11旅团进攻南口地区，以掩护第5师团向张家口进攻，进而占领察哈尔省，尔后，沿平绥路分兵进入晋北及绥远地区作战。
平绥铁路自北平经察南张家口、晋北大同，至绥远西部包头，是联系华北与蒙疆大动脉。中国统帅部认为“平绥线为第二战区之生命线，亦中苏连络之生命线，更为我**旋回作战之能实施与否之中枢线。”平绥路东段重镇南口，是北平通往西北地区的门户。
南口两侧为筑在高山上的内外长城，峻岭耸立，关隘重叠，是中国北方著名天险之一。南口素有“绥察之南门，平津之后户，华北之咽喉，冀西之心腹”之说。日军要进犯张家口，占领察哈尔省，然后分兵晋绥，南口则是其必争之地。中**队要保卫察、晋、绥三省，就必须固守南口。所以，南口得失关系重大，南口之战，即成为保卫察晋绥的关键性战役。
中国统帅部对南口作战极为重视，认为“应以南口附近为旋回之轴，以万全、张北、康保等地为外翼。要固守南口、万全，**作战方有生机；要攻略张北、赤诚、沽源，**方能展布。如南口、赤诚、沽源之线始终为**保有，平津方面之敌，决不敢冒险南下，故本战区之作战任务为：第一步，以该地区现有之兵力，最低限度必须固守南口、万全之线，以俟第一战区转移兵力之到达。第二步，第一战区转移兵力到达后，向赤诚、沽源之线转移攻势。第三步，依战况之推移，对于山西东北方面，厚积兵力，以期永久固守。”
为加强华北防御，统帅部从8月上旬开始向华北调集兵力。至8月中旬，各部队已基本部署就绪。第一战区以津浦路北段为右地区，由第1集团军总司令宋哲元部防御，部署于静海、马厂、固安、霸县、雄县地区；以平汉路北段为左地区，由第2集团军总司令刘峙部防御，一部位于琉璃河、高碑店地区，主力位于房山、保定、徐水地区；第14集团军总司令卫立煌部为第1机动兵团，位于北平以西地区，策应平绥路上昌平、南口作战。
第二战区以第35军、第13军等部组成第7集团军，由傅作义任总司令，汤恩伯任总指挥，部署于察哈尔地区，阻击由平绥路东段进犯日军；第6集团军总司令杨爱源部，位于晋北地区，防御平绥路西段；阎锡山自兼总预备军总司令，位于太原地区。
第18集团军总指挥朱德部为第二机动兵团，部署于蔚县、涞源地区，策应平绥路上宣化、万全作战，并袭击日军后方。
8月11日，日军**混成第11旅团主力，在飞机大炮坦克支援下，猛攻南口中国守军阵地；另以一个大队（坂田支队）向南口镇西侧的长城线助攻，并以一部在得胜口佯攻。南口守军汤恩伯部第13军第89师第529团，坚守南口车站和龙虎台高地，虽伤亡惨重，仍顽强抵抗。战至13日，日军攻占南口镇。接着，日军沿关沟向居庸关攻击前进。
守军顽强阻击，日军受挫。至8月16日，日军仍无进展。南口战斗打响后，中国统帅部得悉，日军主力即将发动向平汉路和津浦路的两线进攻，即令第一战区部队迅速完成此两线防御准备，并令卫立煌率14集团军北上增援南口地区作战。
8月14日，蒋介石致电傅作义：“迅发所部，收复察北，以固绥围，一面援助汤军，以全公私，勿使其孤军受危、南口失陷。国家民族，实利赖之。”