为了粉碎国民党攻占张家口的图谋，保卫人民的胜利果实，晋察冀边区、察哈尔省和张家口军民在晋绥解放区部队的配合下，进行了以歼灭敌人有生力量为主要目标的张家口保卫战。首先是向国内外人民揭露国民党军队攻占张家口的阴谋，从思想上武装人民。还在7月初，张家口市参议会鉴于严重的内战危机，即致电美国人民和美国总统，反对美国援助蒋介石打内战。在致电美国人民的电文中指出：“美国反动派支持蒋介石发动杀戮中国人民的内战，不仅给中国人民而且也将给美国人民招来不幸和灾难，我们愿和美国人民共同一致坚决要求美国政府，停止一切对蒋军事援助，停止派遭军事顾问团来华，把你们的丈夫、儿子从中国内战旋涡中调回去，让中国得到独立、和平与民主。”在致杜鲁门总统的电文中沉痛地指出：“很多中国人民已经无辜牺性在美国援蒋的大炮、飞机之下。因此，张家口市参议会代表全市人民要求你立即制止任何违反中美人民利益的不友好行为。”9月18日，中共察哈尔省委向全省人民发出紧急号召。号召中说：“蒋介石军队正在从东西两面拿着屠刀向张家口杀来。全省同胞、全体指战员、全体党员们要马上战斗起来，坚决保卫察哈尔、保卫张家口，拿起一切武器给蒋介石以致命的回击，我们每一个人都是战斗的一员，我们每个城镇与乡村都将成为蒋军的坟墓，把蒋军彻底消灭。”中共张家口市委也向全市人民发出了“实行全民武装、团结自卫、粉碎蒋军进攻”的号召。张家口市总工会代表全市1.4万名工人致电毛泽东主席和朱德总司令，决心全力支援自卫战争。中共晋察冀中央局也在9月23日向全边区人民发出保卫张家口的战斗号召。号召中说：蒋介石在美帝国主义的直接操纵之下，从东西两个方面会攻张家口，当此紧急关头，全边区军民要英勇地战斗起来，举行全线的自卫反击，保卫人民的新张家口。为此，中共晋察冀中央局号召全边区军民：第一，英勇作战，周密地布置战场。全体民兵要配合作战，协助主力兵团彻底粉碎蒋介石的进攻。第二，巩固后方，维持治安秩序，肃清奸细特务。一切后方工作人员，务须认真负责，坚守工作岗位，服从上级决定，全力服务于战争。城市工人要努力工作，夜以继日，不避艰险。第三，在蒋军暂时侵占的地区，要广泛开展群众性的游击战争，牵制敌人、打击敌人，配合正面战场主力兵团的作战，彻底粉碎敌人的进攻。第四，加紧秋收，秋耕，加紧工业生产，充实自卫战争的物质基础。

在中共晋察冀中央局、中共张家口市委和人民政府的领导下，张家口人民积极行动起来，为保卫张家口做贡献，全市人民投人了紧张的备战热潮。广大青壮年纷纷武装起来，集中居住，加紧军事训练，踊跃报名参军参战，决心用枪杆保卫人民的城市。全市所有的大车户自动组织起来担负运输任务。各区也都成立了联防指挥部，统一领导备战工作。并组织了人民武装纠察队，在全市日夜往返巡逻，还组织了救护队、担架队。很多群众自动配合部队挖工事。张家口市广大妇女也都行动起来，为解放军做军鞋、做军衣，组织慰劳救护，参加查奸防特，维护地方治安。张家口铁路员工取消了休假，紧急行动起来，搞好生产，还组织了自卫队、纠察队，决心保卫自己，职工们展开了热烈的献工献金，提高生产，支援前线的运动。张市烟草公司职工8月份自动献金16.73万元（边币），许多工人要求每天加班两小时，每日献工折资11万元（边币）。光大油厂职工献金30多万元（边币）。丽华毛织厂工人每星期自愿加班四小时。很多工厂工人星期日也不休息，自动到工厂加班生产。各工厂之间还开展了生产竞赛活动，生产效率大为提高。晋察冀军区根据中共中央对可能粉碎国民党军队向张家口的进攻和在不利条件下主动撤出张家口的指示，确定战略的基本目的是挫败国民党军队的进攻，保卫张家口，或在不利情况下争取歼灭敌人一部有生力量之后，寻求新的战机。为便于战役指挥，晋察冀军区组成了以萧克为司令员、罗瑞卿为政治委员的前线司令部，指挥作战。以3个纵队部署在平绥铁路平张线，力争歼灭由北平方向西进之敌一部；以第4纵队牵制集宁、丰镇方向之敌：以6个旅及地方武装共3万人的兵力向平汉路北平至石家庄段出击，配合作战；热河军区部队在热西牵制敌十三军的行动；冀东部队出击北宁、平古路，破坏交通，配合作战。

9月29日晨2时，国民党第十六军全部及五十三军之一三O师共4个师的兵力，在飞机、坦克、大炮的配合下，沿平绥铁路及其两侧分两个梯队向延庆、怀来解放军阵地进攻。第十六军之九十四师、二十二师为第一梯队，向岔道、南园村攻击，并以二十二师一部向陈家窑、黄土梁攻击，企图首先通过延庆，迂回怀来。第十六军之一O九师及第五十三军之一三O师为第二梯队，进至青龙桥。晋察冀解放军按照预定的作战方案，依托阵地，迟滞与消耗敌人。9月30日，国民党军队继续攻击，其先头部队一个营在炮兵的掩护下，向内泡、外泡阵地进攻，从早到晚连续发起7次冲击，都被解放军击退。在晋察冀解放军的节节阻击下，到10月2日，国民党军队付出重大的伤亡以后，仅侵占了盆道、南园、陈家窑、黄土梁、大（小）泥河、康庄、内（外）泡、胡庄、东花园等地。10月3日，国民党第十六军之九十四师、一O九师在飞机、坦克、大炮的配合下，向怀来以东解放军阵地火烧营、南北七里桥、焦庄、五里铺、达子营十多公里宽的正面上，展开了全线猛烈攻击，企图突破火烧营阵地夺取怀来城，打乱解放军的防御体系。人民解放军沉着应战，依托阵地，节节顽强阻击和适时反击，击退了敌人一次又一次猛烈冲击，战斗进行得非常激烈。下午2时，国民党第十六军之九十四师又集中全部兵力在9辆坦克的配合下，向火烧营阵地猛烈进攻，到下午4时，一部分国民党军队突入火烧营阵地一角，晋察冀野战军第二纵队进行了顽强的反冲击，战至黄昏，敌军仍未能向纵深扩张。

为了打破敌人再度进攻的阴谋，歼灭进犯怀来的敌军，晋察冀野战军第一纵队5个团，于10月3日夜向国民党踞守东、西花园的十六军一O九师发起了反冲击，经4个小时的激战，消灭了一O九师三二五团全部及三二七团一个营，缴获坦克3辆，打败了进攻怀来的国民党军队。晋察冀解放军第二纵队也击溃了国民党九十四师之主力，恢复了被敌占领的火烧营阵地，歼灭了敌人大量有生力量。敌十六军被迫转攻为守，以待援兵。与此同时，从怀柔方面向怀来进犯的国民党第五十三军一一六师也遭到了晋察冀野战军的沉重打击，于10月7日退回怀柔，继而转至青龙桥，以增强正面进攻的兵力。

由于晋察冀野战军顽强的阻击和适时的反击，打破了国民党军队两路并进占领怀来的企图。10月4日、5日两天，蒋介石派他的参谋总长陈诚、北平行辕副主任陈继承等到南口视察，布置新的进攻。10月7日，国民党将其战略预备队第九十四军之四十三师及一二一师两个团运至沙河，企图经马刨泉、横岭配合其正面部队的进攻。针对敌人的作战部署，晋察冀军区前线指挥部除以第二纵队继续坚守怀来阵地外，决定以第一纵队全部，第二、三、四纵队的两个旅和一个团集结于桃山嘴、石洞子、十八家、大山口、山神庙等地，打击企图以马刨泉、横岭城迂回怀来的敌人。

10月8日，沿平绥铁路进攻怀来的国民党军队向怀来佯动。其九十四军四十三师经柳树港向横岭前进。当晚敌四十二师一二七团进至马刨泉，四十三师主力进至水涧地区。晋察冀野战军从当晚18时开始向敌发起总攻，经4个小时的战斗，全歼敌一二七团。但由于没有抓住敌四十三师主力，致使其退回沙河。怀来阻击战，晋察冀野战军共歼灭国民党军队1万多人，缴获了大量美式装备包括坦克、反坦克炮、重迫击炮等，取得了平绥铁路东线阻击国民党军队的第一次大胜利。