1933年5月，日军第6师团、第8师团攻占滦东，并迅速突破滦县、迁安、兵河桥等地兵锋直指平津而来。坚守前线的中国守军抵挡不住，节节败退。5月13日，日军第8师团占领古北口石匣镇，19日又攻下密云，北平城危在旦夕。
傅作义
日军来势汹汹，北平形势危急，时任北平军分会代委员长何应钦急调驻防在张家口的傅作义59军回防北平，集结在北平外围的昌平县待命。随着战局的发展，第59军又被调往怀柔以南的牛栏山一带防守。大战在即，傅作义亲临牛栏山指挥作战，他根据牛栏山一带的地形特点，迅速构筑起了两道防线，第一道是经石厂、高各庄、齐家庄一线，第二道是半壁店至稷山营。
各部队战斗部署如下：第59军第218旅（旅长曾延毅）附炮兵第三营为右区队，驻守在怀柔西北高地经石厂一线；第210旅（旅长叶启杰）附炮兵第一营为左区队，右接218旅至高各庄一线；211旅（旅长金中和）附炮兵第二营驻守在半壁店至稷山营一线；军指挥部在昌平县小汤山东北的肖家村。
晋绥军
5月21日拂晓，日军第8师团派出小股部队向218旅436团一营阵地进行试探性进攻，团长董其武下令第一营痛击来犯之敌。第一营官兵埋伏在山岗上、壕沟里，日军侦察兵沿着山下壕沟悄悄潜来。鬼子以为万无一失，不料第一营的机枪早已经瞄准了他们，随着机枪的火舌喷射，日军被当场打死5、6人，其余鬼子见势不妙，拖着尸体仓皇败逃。
5月23日凌晨，日军8师团之铃木旅团及川原旅团的福田支队，以坦克10多辆，山炮，野炮30余门，在10多架飞机的掩护下，向218旅和210旅防区的结合部发起猛攻。日军先以飞机投弹轰炸，继以火炮猛轰，最后坦克出动，分兵数路向第59军前沿阵地冲击。当夜星光闪烁，日军的钢盔、刺刀在星光下闪烁着淡蓝色的光芒，阵地被日军的坦克碾压得颤抖不已。
炮兵阵地
在第436团的最前沿，第10连连长张惠源指挥全连官兵与如潮水般汹涌而来的日军激战，战斗一直打到上午7点钟，全连100多名弟兄仅剩下了张惠源连长和伤兵7人。在战斗中，日军的坦克对第10连造成了极大杀伤，日军坦克横冲直撞，第10连的手榴弹无法击毁日军坦克。不少士兵抱着集束手榴弹冲向鬼子坦克，但由于防守的位置突出，战士们才从战壕中跃起就暴露在日中，因此伤亡惨重。第10连牺牲惨重，董其武不得不下令后撤。
上午9点钟，日军又以步炮联合，向第436团及420团阵地发起同时进攻。守军依托牛栏山地形优势和坚固的工事，与日军进行激烈战斗。日军的炮弹落在山上，炸得土木山石四处飞溅，幸亏两个团的守军工事做得很好，散兵坑排布错落有致，降低了不少伤亡。日军如蝗虫般涌向守军阵地，波浪形的攻击一波接着一波，反复不止。董其武团长和薄鑫团长（420团）指挥守军与鬼子反复冲杀，鬼子的尸体堆满了山下的壕沟、山坳，惨烈的白刃战在第一线反复打响。激战到10点钟左右，日军再次被打退，鬼子狼奔豸突一般奔下山去。
北支日军
中午时分，久攻不下的日军恼羞成怒，出动6架飞机对守军阵地进行狂轰滥炸，随后又以重炮10余门重点炮击436团和420团阵地。一瞬间，炮弹如雨，接连落在守军的阵地上。
第436团的重机枪连坚守第一个小高地，一个小时之内射杀鬼子20多人，但在日军的优势火炮轰击下，全连仅剩下二班长张恒顺一人幸存，其余全部壮烈牺牲。在机枪连附近的第11连，连长杨根胜被炸断双腿，其余士兵全部牺牲。
中午12点钟，日军终于被打退了。在平谷公路大道两侧的高地坡崖上，横七竖八地倒着伤亡的日本兵。第436团也付出了巨大的代价，坚守在第一线的第2营两个连伤亡三分之一。第436团指挥所顶盖被日军炮弹掀翻，两个电话员一死一伤。董其武的帽子也弹片打飞，差点被日军炮弹的弹片击中牺牲。
日军进攻
下午13点，第436团粉碎了日军第7次进攻，日军见久攻不下，于是改变了作战策略。鬼子以飞机6架、大炮10门作掩护，在铃木旅团长亲自指挥下，骑兵第72联队配合步兵早川联队从长园堡偷渡过河，向420团的左翼迂回。日军很快攻占了白河村，直接威胁到了420团阵地。
情况危急，傅作义紧急调211旅421团孙兰峰部跑步前进，迅速支援210旅阵地，策应218旅和210旅。孙兰峰团的加入立刻截住了日军的进攻步伐，中日双方进行了激烈的阵地争夺战。激战中，阵地失而复得，前后易手三次。一直打到下午18点许，被日军攻占的阵地全部被收回，日军被赶出了牛栏山。
北支日军
牛栏山一战，59军苦战日军10多个小时，打死日军346人，打伤660余人，而自身仅伤亡700余人（367人牺牲）。在敌我装备和士兵素养差距悬殊的情况下，这是一场不折不扣的胜仗，也是一场难得的胜仗。之所以取得如此战果，主要依赖于牛栏山的地形、工事掩体的设计与排布得力，还有将士们的浴血奋战。战后，第59军获得了55000大洋的嘉奖，并通令全国表扬。
第59军在牛栏山一线的战斗，狠狠挫败了日军铃木旅团。据战后日本防卫厅编写的《中国事变陆军作战史》记载，日军铃木旅团的早川大佐在战后感叹：“华军第59军似下山的牛栏山猛虎，皇军在此遭到阻击，停步不前。”
守军使用的砍刀
然而全军获得嘉奖之后，傅作义非但没有高兴起来，反而气得破口大骂。原来就在胜利的当天，日军主力占领了冀东大片领土，守军被迫退守平津附近，日军将北平三面合围。当局惊慌失措，积极谋求与日军签订丧权辱国的城下之盟约——《塘沽协定》。根据这份协定的内容，日军将不费一枪一弹就能轻松控制冀东22县，华北大片领土陷入敌手。
当59军还在前线浴血奋战时，当局就已经与日军秘密交涉，并且勒令第59军停止进攻，向高丽营附近集结撤退，原本获胜的59军非但没能继续乘胜追击，却要无故后撤将阵地拱手让人，牺牲的300多名弟兄的血白流了。傅作义不肯撤退，参谋长劝他：其他部队早就放下枪不打了，我们就算继续打也改变不了结局，这也是没有办法的事情。战场遗址
5月23日下午6点，傅作义不得以率领59军从怀柔牛栏山一线撤退，全军将士一路上骂骂咧咧，一些人气得眼泪直流。当时傅作义的秘书写了一首诗歌来表达当时的愤怒心情：
塘沽协定事堪伤，自拆樊篱引虎狼。
死战怀柔坚不退，放完最后一声枪。
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