到12日晨，形势已完全改观。中国军队1个师退出战场，而日军却得到了增援，野炮第8联队主力于此时赶到战场，更要紧的是后方运来了800发炮弹彻底激活了日军炮兵。晨7点，经过充分补充的日军炮兵开始猛烈炮击中国军队，独撑危局的25师陷于困境。9点，日军步兵开始发起总攻。而日军航空兵的大轰炸也开始了，与前两天骚扰性攻击不同的是，这回日军陆军航空兵飞行第12大队（轰炸机大队）大规模出动，9点50分该大队出现在战场上空，轰炸的重点是古北口关城。让人惊讶的是，中国军队直到此时仍然执着的认为龙王峪口145团阵地才是日军主攻点，而此时日军却已经突破146、149团防线，直接冲向古北口关城。惨烈的战斗在古老的古北口关城北侧城墙展开，11点3分，日军已经攻占了关城北侧的制高点，位于此地的25师师部无法坚持被迫撤退，至此师部与前线各部的通讯全面中断，25师各部陷入了各自为战的境地。苦撑到下午1点，25师终于开始全面崩溃。1点40分，日军完全占领了古北口关城，并突进到南关以南的高地，封锁了潮河支流谷地。25师防线被完全突破，除河西150团一部外，其他各部的建制完全混乱，各部队长官均失去对部队的掌握，占据高地的日军来回扫射，奔逃中的中国军人尸横遍野，25师在这次战斗中的伤亡有2/3以上产生在这短短几个小时中，73旅代旅长梁恺也在退却中受伤。
25师一路溃退到南天门预备阵地，仅有师特务连等少数部队占领阵地，其他部队完全失去掌握，根本无法进入阵地，不少人甚至一直逃到了石匣镇，此时的南天门几乎处于真空状态。但由于日军目标本来就只限于占领古北口，因此日军并没有进行追击。当日夜，日军基本停留在河西镇到驼沟寨北方高地、将军楼东至龙王峪口、沙岭口一线。25师也因此稳住了阵脚，收容部队。
此战，日军报告中国军队战场遗尸600多具，大多是25师的，而112师在撤退前曾大量运回死伤官兵，因此具体死伤情况不详。而日军公布自己的伤亡数字为17联队战死军官1名，士兵4名，战伤20名，32联队战死军官2名，士官1名，士兵10名，战伤40名，骑兵第8联队战死士兵3名战伤10名，工兵战伤3名。共计战死21名，战伤73名。32联队联队长田中清一也曾负伤但未退出战斗。而中国军队宣称自己伤亡四千人，团长伤亡各一，营长死伤6人，连排长死伤四分之三，但杀伤日军两千多人。
七：述评
古北口抗战在当时并没有多少人了解，普通大众都只知道29军的喜峰口抗战。但是今天古北口抗战却有了很高的知名度，主要原因就在于25师日后出了很多名将，溯本求源，为了歌颂英雄，古北口抗战的功绩自然就传播开了。古北口之战确实打出了中国军人的尊严，但是回过头看此战还是有很多地方值得后人唏嘘。
参加长城抗战的中央军军官合影
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