而日军方面首先赶到战场的是32联队相原少佐的第3大队，该部于10日凌晨6点赶到二里塞，顺大道走离古北口关门只有三公里左右。从此往南看去，就是逶迤的蟠龙山，山上长城隐隐可辨，将军楼雄踞其上。第3大队迅速占领二里塞南面的几个高地，掩护旅团本队展开，汽车队则返回接运后续部队。到7点，日军在二里塞东北高地构筑了炮兵阵地，并向中国军队开炮射击。上午9点钟，16旅团主力基本上都赶到了二里塞到巴克什营一带，而自十八盘迂回而来的骑兵第8联队也于8点半赶到二里塞。但是由于推进过速，16旅团与师团部失去了联系，弹药也比较紧张。但16旅团旅团长川原侃并不打算停顿下来等候援军，在他的主导下日军迅速拟定了攻击计划。攻击分为三个方向，左翼日军在相对较远的战线东端龙王峪口、炮石台方向，投入骑兵第8联队和32联队的两个小队助攻，在其右翼古北口关门东面的长城一带高地，日军投入了32联队第2大队。而日军的主攻方向则选定为634团防守的蟠龙山制高点370高地和将军楼一线，在这个中央方向日军投入了17联队全部和32联队第3大队，几乎占了日军总兵力的2/3。日军的计划是两翼牵制中央突破，占领将军楼等战场制高点。此外，日军还以32联队2个小队渡过潮河牵制卧虎山的636团。
六战斗进程
从10日早上7点开始，两军就开始小规模交火，日军的飞机也赶来助战，给中国军队造成不小的麻烦，日机以一个钟头为间隔对中国军队阵地及后方交通先进行骚扰。由于天气寒冷，植被缺乏，而地质坚硬又不利挖掘工事，日机的活动很有成效，特别是仅有的一些树林、建筑物受到了日军飞机的重点照顾。
下午两点半，完成战斗准备的日军开始全线向中国军队发动进攻。在主攻方向，由于日军充分集中兵力在狭窄地段实施攻击，因此获得了完全成功。当面东北军634团一部根本没能阻挡住日军，仅仅半个多小时，日军主攻的17联队就攻占了蟠龙山的制高点370高地，随即又将攻击重心转向将军楼，634团竭力抗击，但是到下午5点半，日军主攻部队就已经完全占领了这一地段阵地，将战线推进到长城南侧，占据了居高临下的优势地位。但在两翼，由于日军兵力不足，战果有限。在日军左翼，参战的是骑兵第8联队和2个步兵小队，骑兵联队本身只有2个骑兵中队和1个机枪中队，下马攻击的能力不比一个步兵大队强，而当面却是戴安澜的145团。日军在该方向略有进展，夺取了炮石台，但是却没能攻取145团1营防御的龙王峪口。而在日军右翼，32联队第2大队遭到了635团的坚决抵抗，没能攻破长城一线，中国军队凭借良好的工事，以精准的迫击炮火力给日军造成了相当的伤亡。日军在基本达成目标后，于5点半全线停止了进攻，开始积极准备第2天的攻势。将军楼和370高地的过早失守使得中国军队处于非常不利的态势，战场的枢纽已为敌所掌控。
这一天日军几乎把绝大多数力量都压在112师方面，634、635团单独面对日军两个联队的猛攻，压力极大，尤其是634团损失惨重。而25师由于主力尽在第二线，第一线仅有145团遭到骑兵第8联队的攻击，所受压力并不大。但是中国军队两个师各自为战，互不配合，骑兵第8联队的攻击并没能攻取既定目标，却让25师师长关麟征和副师长杜聿明错判了形势。25师主官认为日军攻击重点在龙王峪口方向，企图由此突破然后沿潮河支流包抄25师的右翼。为此，当夜25师命令第一线的145团将兵力向右翼集中，将阵地继续向东延伸到龙王峪口以东500米，从而使其与112师的结合部更加薄弱。而作为师预备队的75旅主力（欠150团）则移至古北口东关，更从中抽出了149团的一个营向司马台方向放出警戒。这一夜虽无大战，但枪声仍然很激烈。
11日晨，日军再次发起猛攻，攻击重心仍然集中在370高地、将军楼一带，向第二线阵地及两侧扩张战果。此前日军炮兵表现非常出色，一夜之间就将大炮抬上了长城高地，在制高点370高地两侧布置了炮兵阵地，从而有效的控扼了战场，而且日军又处于居高临下的地位，因此日军本以为这次进攻会更加顺利，没曾想这次却碰上了硬钉子。此时，将军楼方向除了634团外，还有第二线阵地上的146团主力。日军的猛攻遭到了中国军队的顽强抵抗，几乎是寸步难行。双方激战到中午，日军仅仅夺取了少数阵地，而且更让日军叫苦的是炮兵炮弹快打光了，下午两点第8师团师团长西义一赶到战场，登上370高地接过川原侃的指挥权，然而他也没办法令日军突破中国军队防线，日军被迫停止进攻调整部署。
不过，中国军队虽然阻遏住日军的攻势，却也是有苦自己知。占据制高点的日军俯瞰整个战场，密集火力封锁了潮河支流谷地，给中国军队造成很大困扰，25师与龙王峪口145团的联系也很难保持。146团在日军正面猛攻下也是左支右肘险象环生，为了摆脱被动的局面，关麟征命令149团（欠一营）也投入将军楼方向。这样，以将军楼为核心，双方投入了5个团（联队）展开激战，战斗极度惨烈，149团团长王润波在激战中為日軍武士刀砍殺，25师师长关麟征也被手榴弹炸伤迅即被后送。副师长兼73旅旅长杜聿明代理师长指挥，146团团长梁恺则代理73旅旅长。而在古北口正面，东北军635团也支撑不住了，其右翼更由于634团败退而战线不稳，日军32联队第2大队遂趁机攻取该团部分阵地，团长白毓麟阵亡。白是满族人，与师长张廷枢、少帅张学良同为东北讲武堂第一期，从排长逐级干到团长，是112师三位团长中最年长的一位，比师长还大十岁，在军中素有声望，不幸于此役殉国。
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