经过将近两天的战斗，日军始终未能突破古北口正关和将军楼一线长城，他们留下来是满山遍野的尸体，败北而去。
两天后，中央军第二十五师赶到。就在第二十五师先头部队刚刚抵达古北口的时候，日军第16旅团在飞机火炮的支援下，再一次向古北口长城将军楼一线阵地发起强攻。
古北口的第一一二师官兵，正值援军抵达，官兵有些放松的时候，被日本人打了一个措手不及，古北口长城的制高点三七零高地和将军楼被日军占领。二十五师师长关麟征带着一个特务连，亲自指挥作为预备队的王润波团，从古北口东关杀出，向将军楼发起凌厉攻势。
关麟征师长身先士卒，率领一四九团全体官兵，首先登上南面的高地。这时北面的高地和将军楼已被日军占领，敌我双方在两个高地之间展开了激烈的枪战，中**队冒着日军的枪林弹雨从南面高地冲下来，北面高地上的日军冲向南面高地，两军在两个高地之内的狭长地带展开了近战肉搏，这一仗，敌我双方伤亡都很大。
在战斗中，关麟征被日军手榴弹炸伤，身上共被炸伤四处，浑身是血。
正是在关麟征这种精神的感染下，北山的大部分日军在王润波团玩命的冲锋中也死伤殆尽。北山的主人终于换成了中**队。这块高地的得失果然相当关键。虽然最终仍无法攻克将军楼，但有了北山这一地利优势，随后赶来增援的几千名日军都被阻于山下，无法再前进一步。最重要的是，它挽救了戴安澜团，使其摆脱了被包围聚歼的噩运。
当日晚，关麟征师长被抬下山进行救治，他指定第七十三旅旅长杜聿明为副师长代行师长职责，杜聿明指定第七十三旅副旅长粱恺代行旅长职责。
就在关麟征率部在将军楼一线与敌反复争夺之时，一四五团团长戴安澜正率领全团官兵调整龙儿峪阵地，掩护师指挥部后撤。
在连续三天的激战中，一四五团官兵打退了敌军多次进攻，使日军遭到重大伤亡，戴安澜光荣负伤。日军占领将军楼主阵地之后，开始用炮火封锁古北口城同往龙儿峪口的道路，继之占领了古北口大关及蟠龙山一带的长城线，开始对中国守军进行合围。
在龙儿峪口，日军用大量重炮猛轰，飞机也向关口和东西两侧长城上的阵地投下了大量炸弹，情况十分的危急。最后，日军已经冲上了中国守军的长城阵地。弹尽粮绝的戴安澜不得不带着幸存下来还不足一千多人的部队撤出龙儿峪。
是役，第二十五师在野炮、山炮皆无，友军不协助，阵地不巩固的情况下，仅以四个步兵团兵力，独当正面之优势日军，加之部队训练时间太短，全无对日军作战经验，全凭一股子血气与敌拼杀三天两夜，狠狠打击了日军的进攻气焰。此战中，全师伤亡多达两千多人，日军亦伤亡一千多人，就连日军自己的报纸也不得不承认此战为关东军进入中国以来之“激战中的激战”。
第二十五师和第一一二师受伤的许多士兵被送到了密云的军医学院进行救治，这里是离前线最近的一家医院了，就连关麟征也在军医学院进行救治，院长老头德国医生史密斯很有两把刷子，没过多久就将关麟征给救了过来。
本来打算是要将关麟征送到北平的陆军医院进行休养的，但是关麟征在得知自己已经无碍的情况下，坚持要留在密云的军医学院，说什么也不肯离开。
最后是徐庭遥在确认关麟征确实已经没有大碍了，便让他留下来了。这一留，关麟征真的发现了好东西，那就是磺胺，要知道这个时代战争中死亡的人很多并不是当场死与弹药袭击，而是死于伤后的感染发炎，而在密云军医院很多受伤的士兵在用过磺胺之后，很快病情就稳定了下来，而且很多受轻伤的人，很快就包扎完好重新投入了战斗。
磺胺的大名很快就在这些军官士兵当中传扬来开，就连报纸上都开始出现类似的消息，鲍尔更是借曾昭抡的名义给密云军医院捐了一大批用来医治二十五师和一一二师的伤员，磺胺能够治愈感染发炎的疗效一下子在整个平津地区轰动了开来。
在古北口战役当中，磺胺起到了不小的作用的，许多受伤待死的士兵重新拿起武器投入了战场当中，就连一线的士兵们也是士气大震，最后撑到了第二师的赶到。