日军攻占南口和张家口以后，集结在北平、天津的日军立即沿平汉路、津浦路南下，意图截断华中、华东两条南北大动脉，进而占领华北全境。
9月14日，日军第1军下的第6、14、20 三个师团齐头并进，向涿县、保定地区发起进攻。
日军在涿县周围击溃中国军队后，顺势南下，后方的中国军队经不起冲击，防线全被冲垮。日军很快到达保定外围。
保定位是平汉线上的战略城市，处于北平、天津、石家庄3个大城市的三角中心，也是石家庄的北部屏障。为保卫保定，国民政府派关麟征的第52军守卫保定。 第52军由在长城古北口与日军血战的第17军下的第25师扩编而来，下辖第2师、第25师，在古北口负伤的第25师师长关麟征已经升任军长。
关麟征令第2师守卫保定城，第25师及其它配属部队布置在保定外围，并做预备队。
第2师师长郑洞国，湖南常德人，黄埔军校一期毕业，长城抗战时是第2师第4旅旅长，在南天门一带与日军激战。接任保定城的守卫任务后，郑洞国以第4旅守卫城垣，第6旅在保定外围以北沿漕河南岸布防，并派出一个营前出到漕河以北，向徐水方向警戒。
9月20日，日军突破中国军队徐水、遂城一带防线，3个师团合力向南席卷，第6旅在在漕河以北的警戒营与日军接触后，立即撤回漕河南岸阵地。
9月22日清晨，日军在飞机、大炮掩护下，向漕河南岸发动猛攻，拉开了保定战役的序幕。
日军仗着强大的炮火优势和雄厚的兵力，猛冲漕河南岸守军阵地。当时漕河水浅，日军可以徒步过河，不能对日军形成障碍。守军表面上一个军，实际上只有两个不满员的师，防守地域过广，兵力极为单薄。所幸守军士兵士气旺盛，打退了日军多次进攻。
战至午后，日军大量后续部队到达，攻势更加凶猛。先以飞机向守军阵地俯冲、扫射，北岸的重炮群也隔河猛轰守军阵地，守军阵地的工事几乎全被摧毁。继之以10余辆战车为先导，后面跟随大批步兵，向守军南岸阵地猛冲。
由于守军没有战防炮等重武器，无法击毁日军战车。以致几辆战车冲入了守军阵地，左冲右突，碾压守军士兵和阵地工事。情急之下，一些守军士兵冒死爬上战车，将炸药包和集束手榴弹挂在战车上。几辆日军战车就这样被炸毁，其余见势不妙连忙逃回北岸。日军的攻势终于被挫败。
在日军强大火力攻击下，守军伤亡惨重，但士兵战斗精神旺盛，匍匐在倒塌的工事里，冒着日军的弹雨顽强抵抗。在守军抵抗下，日军也伤亡惨重，漕河河道里躺满了日军士兵尸体，流出的血把漕河水都染红了。
9月22日这一天，日军发动了多次冲锋，但一直没突破第2师漕河阵地。漕河的第6旅伤亡非常大，旅长邓士富向郑洞国请求增援。这时的郑洞国手中只有一个旅，要守卫保定城垣，后面的大战还没到，但还是从守卫城桓的第4旅中抽出部分兵力增援漕河。
进入夜晚，日军仍不罢休，继续进攻。双方寸土不争，枪炮声震耳欲聋，战火把夜空映得通红。
就在郑洞国的第6旅在漕河与日军激战时，漕河以西的保定城桓外围也处于激战之中。9月22日午后，日军突破第25师前沿阵地，并继续攻向第25师主阵地。
第二天（9月23日）黎明，日军突破第25师阵地，并随即向漕河守军左翼迂回。郑洞国闻讯后，连派一个团增援第25师。但日军大部队乘第25师败退之际源源涌进，增援的一个团差点被包围，经过苦战后才摆脱日军。
第25师阵地被占领后，漕河守军侧翼已经暴露，漕河阵地已经无法坚守。郑洞国只得令第6旅放弃漕河，退守城垣。
9月23日上午10时，日军在飞机和大炮掩护下，直扑保定城，其战车也从修复后的漕河铁桥直冲保定城北门。日军很快就突破了城外的护城壕，一部分兵力从北门突入，双方在北门内外和城垣上展开了肉搏战。
郑洞国见形势危急，连忙令师直属部队增援北门和城垣，同时派出两支部队绕出城外，从东、西两侧向北门外日军反击，以截断攻城日军。激战至中午，突入城内日军百余人被歼，残余逃出城外。
此时，保定外围阵地都被日军围攻，各部队都陷入混战，援军还未到达。
军长关麟征为了集中兵力，遂放弃外围阵地，将第25师集中到保定城外以南地区，作为预备队，保定城全由第2师防守。
日军方面的第6、14、20 三个师团全部到达保定外围，开始合围保定。
就在晚上中国军队调整阵地时，日军一支骑兵部队乘保定城外空虚，从左翼包抄到城南，袭击了郑洞国第2师的后方机关，将辎重部队、后方医院、通讯部队全部冲散，并从后方包围了保定，切断了保定城的补给线。
郑洞国一下子就与上级失去了联系，只得直接派人去寻找军部，并与友邻部队联系。实际上，此时的军部、友邻部队已经全部撤走。保定城真正成了一座孤城。
24日天刚亮，日军就对保定城发起了全面总攻。日军的飞机发出尖锐的呼叫，在保定城上空俯冲，不停的轰炸扫射。日军扔下的炸弹在城内引发了大火，不多时，整个城内就硝烟弥漫。而后，日军又集中几十门大炮猛轰城桓工事。一排排炮弹铺天盖地而下，城桓上的士兵被炸的血肉横飞，惨不忍睹，城墙也被打塌了几处，形成几道很宽的缺口。
日军步兵乘机从缺口处涌入，守军在缺口处的士兵已经非常稀少，但仍毫不畏惧的冲向缺口，与日军混战在一起。
缺口很快就被突破，日军乘机向城内猛冲。部署在缺口附近的守军据守在建筑物或屋顶上，以密集的火力猛扫日军，日军被成片成片打倒。城外日军仍不断从缺口涌进，消灭了缺口内日军后，守军将火力延伸到缺口处，以两侧的交叉火力死死的封住缺口处。日军士兵纷纷在中弹倒下，缺口处堆满了日军士兵尸体和蠕动的伤兵。
日军仍在源源不断的向缺口处涌进，战车也开到缺口处。进到缺口处的日军也以猛烈的火力封锁中国军队，防止中国士兵冲到战车旁。战车乘机开进，有的从日军士兵尸体上碾过，有的撞到缺口处的城墙进入缺口内。
日军战车进入缺口后，步兵随即跟进，合力向城内发展。不久，中、日两军就在保定城内展开了巷战。
正在两军激烈巷战时，斐昌会率第47师赶到保定城外，他自己立即带几个随从赶到郑洞国的师部。
斐昌会原是孙传芳手下的猛将，久经战阵，作战经验丰富，他的第47师也很有战斗力。
各路军队纷纷后退，郑洞国独守孤城，斐昌会不惧危险增援保定。两人相见后，英雄相惜之情油然而生。
见面后，斐昌会直接询问是否需要将第47师开进保定城内，与日军接战。
此时的保定已经被日军三个师团包围，且城桓工事几乎全被损坏，以一个残缺不全的第2师和第47师，无法挽回败局，还有被消灭的危险。第2师的参谋长舒适存介绍情况后，整个师部都陷入了沉默。
至上午11时，日军已经占领了大半个保定城，并对守军实施分割包围，第4旅旅长被迫率大部突围向保定城外东南部转移，城内秩序一片混乱，除了直属部队外，郑洞国对各旅已经失去了控制。日军在城内横冲直撞，端着三八步枪的日军尖兵很快就出现在第2师师部人员的视野中。
参谋长舒适存见情况紧急，焦急的说：“依目前情况，我们很难支持多久，现在或是死战殉城，或是乘机自动撤退，以全实力，请两位师长速做决断，否则就来不及了”。
斐昌会以探寻的目光注视郑洞国，郑洞国知道，已经没有时间拖延了，于是下达了撤退命令，斐昌会立即表示，与郑洞国一起承担撤退的责任------没有上级命令而擅自撤退，上级追查下来会有枪毙的危险，斐昌会要负责，就也有枪毙的危险。
此时，日军已经逼近南门，郑洞国指挥师直属骑兵团、工兵营、山炮营、通讯营、特务连且战且退，出保定城后沿平汉路南撤。保定遂告陷落。
撤出保定城的郑洞国直到过了唐河，才慢慢收拢部队。由于没有通讯设备，无法与上级联络，只好盲目向南走。粮草辎重和通讯设备都被日军骑兵冲散时丢失，部队一路没有饭吃，好在沿途百姓帮助，部队才得以维持。
事后郑洞国才明白，由于后方无法与第2师联系，都以为第2师全军覆没了，有的报纸还发表了郑洞国“壮烈殉国”的消息，他的家人也大大悲痛了一场。
郑洞国虽然没能守住保定，但以劣势装备，抵挡日军3个师团的围攻，在抗战史上非常少见。日军在保定战役中损失非常大，自9月14日发动平汉线战役到9月24日占领保定，共伤亡5000 多人，其中绝大部分在保定战役中被郑洞国部击毙击伤。郑洞国部也伤亡惨重，超过了三分之一。
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