為應對飛機轟炸，傅作義部各連工事均分為上下兩層，炸毀上層，還有下層。()各掩體內設有指揮部、彈藥庫、繃帶所、廁所等。前後陣地之間有四通八達的交通溝。並且，為對付日軍偵察機，陣地上都進行了偽裝，偽裝得甚至連人走到跟前也難於發現。21日，日軍第8師團長西義一坐鎮密雲，派出飛機和小股部隊進行試探性進攻，向陣地扔下少量炸彈，但損壞和傷亡很小。
23日凌晨4時，西義一派出鈴木旅團和川原旅團福田支隊，以飛機10架、坦克10輛，山炮、野炮各10幾門的兵力，向一線陣地發起猛攻。日軍以慣用戰法，先以飛機大炮狂轟濫炸，再以坦克掩護數路步兵衝鋒。
前沿陣地的董其武第436團將士，憑借堅固工事沉著迎戰，直到中午，日軍都未能攻破該團主陣地。
其間，上午8時左右，傅作義接到何應欽從北平來的電話，要他到北平去開緊急會議。傅作義因戰事緊張，抽不開身，就讓軍參謀長苗玉田代往。
中午，鈴木親自到一線指揮，把主攻方向改為左翼的第210旅薄鑫團。與此同時，還派出騎兵第72聯隊和早川步兵聯隊偷渡過河，向薄團後方迂迴包抄。為打退日軍圍攻，炮兵連把山炮抬出掩體，在暴露的高地上用零線子母彈進行轟擊。這種炮彈射出30米即爆炸，殺傷面積長、寬各30米。由於我軍官兵有工事掩護，我軍很少被自傷。但炮彈中的鉛彈卻使日軍造成重大傷亡，日方《朝日新聞》隨軍報道稱：「兩軍相距甚近，華軍竟敢發炮射擊，實屬罕見，其勇敢令人驚歎。」
騎兵第72聯隊和早川聯隊轉而攻佔了我方守備薄弱的茶塢村陣地，對其他陣地構成威脅。傅作義電令二線陣地的第211旅孫蘭峰第421團增援收復。孫蘭峰準備從背後抄襲日軍，被日軍發現，派騎兵來衝擊步兵。孫蘭峰留下重機槍連和一連步兵依托樹林伏擊日軍騎兵，大部隊繼續前進。結果，敵騎不僅沒有衝垮我方步兵，反而傷亡慘重，茶塢村陣地也被我方收復。當天，其他丟失的前沿陣地均被奪回。
其間，在下午4時前後，雙方激戰之際，傅作義接到何應欽讓苗玉田和其他人打來的4次電話，要其停止戰鬥。
傅作義因兩軍膠著，自己不可能單方停戰挨打，未予執行。*/*此次連續15小時的惡戰下來，第59軍陣亡將士367人，傷400餘人。日方陣亡340餘人，傷600餘人。當晚，傅作義讓孫蘭峰團替下了傷亡較重的薄鑫團。孫蘭峰提出當夜擾襲日軍的計劃，傅作義認為不錯。孫蘭峰隨即挑選了素質好的奮勇隊員500名，配備上這時，上午派到北平參加何應欽緊急會議的苗玉田趕回來，他帶來了何應欽的手令：「著第59軍即刻停戰，向高麗營撤退集結。」當晚，傅作義被迫傳令部隊撤離陣地。
第二天，日軍專門到第59軍陣地來研究我方工事構造。日本《大阪新聞》報道說：有少數部隊頑強抵抗，是役我軍因受地雷之損失甚大，所以士兵不敢走不長草及無道路之地。……敵在高地築有華夏式的堅固陣地，該陣地兩旁伸出，一對密雲前來之我軍，一對由薊縣前來之我軍，側背之早川聯隊，突受敵千餘人之進攻，結果傷亡約三百餘人。在高地之敵，利用微小之槍眼孔射擊，我軍既難達殲滅之目的，又無法攻擊前進……
5月24日觀看華夏式之陣地，實有相當之價值，且於堅硬之岩石中，掘成良好之戰壕，殊令人驚歎。敵兵陷藏於堅固之穴中，僅露出2寸寬、4寸長之槍眼，做殊死之抵抗。觀其在作戰中掩埋之遺體，其中尚有十六七歲者，且有類似學生者，青年之狂熱可見一斑矣！
當天，日軍進至懷柔縣城以南一帶後，正準備繼續向順義進攻時，也收到了關東軍司令部停止戰鬥的命令。於是，牛欄山一戰，成為整個熱河——長城抗戰的最後一戰。
懷柔抗戰勝利的消息，被全國各報競相報道。傅作義率部返綏後，將長城抗戰犧牲的陣亡將士遺骸收斂安葬於城北大青山下，並下令建立烈士陵園，樹立紀念碑，請胡適作了一篇白話體的碑文，碑文由錢玄同書寫。碑文最後寫道：
這裡長眠的是二百零三個華夏好男子！
他們把他們的生命獻給了他們的祖國。
我們和我們的子孫來這裡憑弔敬禮的，
要想想我們應該用什麼報答他們的血！
22日，日本大使館海軍武官籐原單獨約見了黃郛，籐原告知日方停戰的四項條件，並提出要何應欽任命和談代表赴密雲正式和談。
何一方面派出代表去密雲和談，一方面報告蔣光頭和汪精衛（此時已復任行政院長）和談進展，另一方面準備撤離北平搬到豐台的長辛店以南。日軍沒有佔領北平的打算，若是何真的撤離反倒讓關東軍收不了場了。談判中，日方嚴厲要求華夏25日凌晨2點前必須答覆4項條件。日方提出的停戰協定內容如下：
一、華夏軍隊一律迅速撤退至（北京的）延慶、昌平、高麗營、順義、通州，（廊坊的）香河，（天津的）寶坻、林亭口、寧河（蘆台）所連之線以西、以南地區。爾後，不得越過該線，且不作一切挑戰擾亂之行為。
二、日本軍為證實第一項三、日本軍如證實華夏軍業已遵守第一項規定時，不再越過上述華夏軍的撤退線繼續進行追擊，並自動回到大致長城一線。
四、長城線以南，及第一項所示之線以北、以東地區內的治安維持，由華夏方面警察機關擔任之上述警察機關，不可使用刺激日軍感情的武力團體。
日方代表為關東軍參謀副長少將岡村寧次，華夏代表為北平軍分會總參議陸軍中將熊斌。
華夏雖提出少許異議但未得到日方任何讓步，後經請示蔣光頭和汪精衛同意，於5月31日下午5點，雙方代表在塘沽簽訂了由日方單方面擬定的《塘沽協定》，在事實上承認了日本佔領東北三省和熱河，並把冀東置於日偽勢力範圍之內。
6月上旬華夏軍隊首先撤出了協議地區，至19日，關東軍第6、8師團撤離。但留下了騎兵部隊駐唐山市最靠近天津的玉田縣，第八師團第4旅團（鈴木美通旅團）駐北京密雲，言稱為監視華夏軍隊而留駐。至此，長達2個多月的長城沿線抗戰以日軍完全達成目的而結束。
《塘沽協定》雖然如蔣光頭所要求的未將東北四省及熱河省等字樣寫入其中，但是協定內容實際上承認了日本對東四省的佔領和統治。緩衝區的設定使各抗日武裝被隔絕在關內，關外的抗日力量得不到關內的支持，義勇軍的抗戰形勢雪上加霜。
協定保障了滿洲國的絕對安全以及日本戰備大後方的建設，同時得以全力對付可能來自蘇聯的威脅。日本人這一招實在是一舉多得，狡猾狡猾得狠！
協定雖然屬於秘密簽訂，但是很快被外界所知。6月1日，華夏gcd發表了《為反對國民d出賣平津華北宣言》，19路軍、東北軍、華北軍，西北軍，也通電反對，一時間國內罵聲四起，把汪、何等人比作當年的秦檜。
因為協議文本的最後拍板是汪精衛，又未經過國防會議批准。
因此在6月2日的南京國防會議上被指責簽定這個協定是「違法擅權」，蔣雖然也表示過「委曲求全原非得已，中正自當負責」，但最終還是汪精衛出面「承擔責任」。
出乎意料的是，被民眾呼聲很高的李衛東並沒有站出來指責汪精衛與何應欽。
其實，國家的外交和政治事務與一個家庭、一個企業一樣，當面臨要尊嚴還是要生存的時候，選擇尊嚴而死地總是被定義為死得其所，而選擇生存暫時放棄尊嚴的又總是被罵得遺臭萬年。
李衛東知道，華夏如果繼續打下去，戰敗是肯定的，若是此時戰敗了，華夏的後果是什蔣光頭也好，汪精衛也好，何應欽也好，都是絕頂聰明的人，又都是從日本歸國的正牌海歸，他們更瞭解日本。
蔣和何都是日本軍校的留學生，又是在日本軍隊實習過的軍人，他們知道雙方軍隊的實力差距有多大。所以，蔣知道華夏還沒有能力與日本相抗衡。
外交是什麼？眾所周知，外交就是靠實力說話，外交就是用實力合法化地搶奪別人手裡的寶貝，外交就是靠實力羞辱別人、壓迫別人來炫耀自己。
因此，在李衛東眼中，《塘沽協定》，是沒有辦法的辦法。蔣、汪和何都知道簽了它的後果，也曾堅持不簽書面協定，但是日本人也很聰明，堅持要求必須簽訂書面文件，所以推來推去派了熊斌去簽字。
最後汪精衛一個人出面「承擔責任」，說來還真體現了他「引刀成一快，不負少年頭」的英雄氣概。
至於戰爭中軍隊傷亡人數，華夏僅第l7、第29、第32、第53、第67軍傷亡1.8萬餘人，日方死傷2.4萬餘人，戰術上，華夏大獲全勝。
大將作者紅色十月攜《榮耀》歸來！！！！