日军第5师团占领阳原和蔚县后，于9月11日以第21旅团向广灵进攻。该旅团除从蔚(县)广(灵)大道实施正面攻击外，还以一部从北面向火烧岭、南面由蔚县经后门峪实施迂回。汤恩伯令第17军的第84师在火烧岭一带、第21师主力在广灵城东的豹峪、洗马庄一带阻击日军。
9月12日晨，日军2000余人从南徐堡向火烧岭第84师阵地猛攻，并以一部向火烧岭以西地区迂回。汤恩伯即令第21师的1个旅在六棱山、乱岭关(广灵城西)布防。此时正面攻击广灵的日军亦向洗马庄第21师的阵地压迫。
13日，日军继续向火烧岭西面刘家沟一带的第84师阵地攻击。该师第499团与日军展开激战。同时，广灵城东的日军猛烈攻击洗马庄和西加坪第21师和第73师的阵地。西加坪与南方高地之间的战斗尤为激烈。在此地防守的第424团与日军奋勇肉搏，因伤亡甚重，阵地被日军突破。第423团在团长吕超然率领下对日军实施反冲击。吕团长奋不顾身，身先士卒而阵亡。同时，由蔚县经石门峪南进的日军也向刁泉(灵丘东北约40公里)一带独立第3旅的阵地攻击。激战终日，日军被该旅击退。14日，独立第3旅再次击退日军的进攻。但在广灵方面，守军则受到日军的严重压迫。第73师伤亡尤重。在此情况下，阎锡山命令汤恩伯和刘奉滨：如不得已时，可将第17军和第73师部队撤至广灵南面的牛角岭、直峪、上村关一线，东与独立第3旅、西与第15军防线衔接，“缩短防线，扼要固守”。当日，汤恩伯命令弃守广灵，第73师转移于井林、长城梁、郭卯尖地区，第84师转移于周图寺、香炉台、鳌峪地区，第21师转移于上白羊、石仙、岔口村之线。在大王村、后子口、瓮城口掩护和警戒的新编第2师等部队亦奉令经浑源南面的凌云口后撤。广灵城即被日军占领。
日军第5师团第21旅团于14日占领广灵后，当即派4个大队分别向浑源和灵丘追击。阎锡山于15日严令第73师师长刘奉滨在广灵南山坚守阵地，不得再退，否则以军法论处，并严令第17军在新的防御线固守。向灵丘方向追击的日军于15日猛攻直峪口(广灵南山口)。在此占领阵地的第73师在师长刘奉滨督战下与日军肉搏五六次，损失严重，刘师长也在指挥作战中负伤。该师被迫向后转移阵地于义泉岭北之东、西高地。阎锡山下令：“如能将敌击退，着即赏洋两万元。”同日，灵丘东面独立第2旅阵地也受到日军攻击，但将日军击退。向浑源追击的日军于16日占领该城，并接着向城南的唐家庄、郝寨进攻，被在该地防守的第15军第64师击退。
当日军第5师团第21旅团向灵丘、大营方向进攻之际，日军第1军从9月14日起向保定地区展开进攻。18日，方面军司令部命令处于平汉线主攻方面右翼的第5师团留精锐部队一部于山西省北部，主力迅速经涞源进入保定方面作战。第5师团师团长板垣征四郎除令第9旅团于19日占领涞源外，亲率1个联队留在蔚县准备指挥主力向保定方面转移。这时因发现中国军队在内长城线上布防，所以决定以一部兵力进入大营镇附近，保障师团主力顺利转移。9月20日，板垣命令在广灵的步兵第21旅团长指挥第42联队第2大队及野炮兵1个大队向灵丘进攻。在灵丘前线阻击日军的第73师被迫转移至龙泉寺、白咀子、1826高地至大西沟一线。独立第3旅撤退至灵丘以南山地。灵丘城即被日军占领。至此，日军已迫近内长城附近。
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