沽源防线是由三十三军第四师及第五师第十三旅防守，由于是草原地区，沽源的正面是辽阔的草原开阔地带。[173]沽源的防守工事是利用沽源城及前出大约5公里，组成了相对纵深的防守工事。此处的交通战壕纵横交错，坑道和暗堡比比皆是，形成了相对完整的防守体系。
由于日军在沽源和兔儿山防线，担任空中掩护的轰炸机支援作战不力，主要是北平南苑机场距离沽源太远，日军飞机在沽源滞空时间太短，因此日军轰炸机的空中打击大打折扣。如此，沽源防御作战，一开始就投入了炮兵部队参加防守，由此对于日军的进攻起到了相当大的遏制作用。野战第一炮兵师分别有两个团在沽源和兔儿山参与防守。
沽源、兔儿山防线，日军是在张家口打响后第二天，才发动进攻的。日军动用第12师团对沽源防线发动进攻，动用14师团对兔儿山防线发动进攻。而骑兵第一军第四师白虎臣部的两个骑兵旅，担任协防，主要是防止日军在沽源、兔儿山之间的结合部实施偷袭作战。另外，白虎臣的另一支骑兵旅担负沽源和张家口之间的协防任务。由于大马群山横贯沽源和张家口一线，兵形成天然的屏障，因此这支骑兵旅的协防任务相对比较轻松。
激烈的战斗已经打了5天，沽源、兔儿山防守部队，有效地遏制了日军的疯狂进攻。放眼望去，日军的坦克和装甲车在前沿防守阵地前横七竖八，被击毁的残骸遍地都是。5天时间日军损失了一支战车大队。日军的进攻重点转向张家口后，为了减少伤亡，日军由密集进攻队形改为散兵线进攻。日军的目的就是不断地消耗守军的实力，为南线攻占张家口争取时间。
针对守军的炮兵，一开始日军展开了炮战。说来有些意外，日军的75毫米野战炮，其射程比己方大炮少将近1000米。别小看这一千米，在炮战中日军的炮兵吃了大亏。由于空中支援作战不利，不能有效地摧毁我方的炮兵阵地和压制我方的炮火，所以才造成日军进攻部队进攻乏味。
蒙疆占领军司令官西尾寿造意识到空中打击的重要性，一方面督促多伦野战机场加快筹建速度，一方面上报大本营在东北征调重炮部队。果然不出所料，司令官加强张家口进攻，减弱沽源、兔儿山进攻，其目的就是为重点进攻察哈尔创造条件。目前他把位于赤峰的后续师团陆续向多伦集结。西尾寿造不是傻瓜，他同样清醒的看到，攻占张家口后，沽源防线和兔儿山防线不攻自破，因此他认为没有必要再消耗下去，因此他下达了在沽源、兔儿山一线佯攻作战。
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