长城抗战爆发后，中央军的25师，即关麟征师率先到达北平，依据北平军分会的作战计划，中央军第十七军的北上支援将负责驻守古北口一线。然而，关麟征师作为最先抵达的部队，独自驻守古北口显然不现实。经过一番激烈的争论后，东北军军长王以哲和主力师长张廷枢终于同意，暂时留下东北军驻守古北口。 3月10日清晨4点，关麟征、王以哲、张廷枢与随行的杜聿明在东北军指挥部结束了争论，三方达成一致决定共同防守古北口阵地。 按照约定，张廷枢的部队负责驻守古北口的前线阵地，关麟征的部队则负责二线防守和张廷枢部右翼，而王以哲带着已与日军激战三天三夜的东北军107师暂时后撤休整。

从地形来看，古北口阵地的东西两侧被山脉环绕，地势较高，明显占据了地利优势。张廷枢的部队是东北军的精锐力量之一，且团长的工资甚至高于其他部队的师长，显示出该师的重视程度。而张廷枢的后方还有关麟征的中央军增援，右翼则有名将戴安澜团驻守。如此精锐的阵容，守住地势优越的古北口并不算难。 更为重要的是，进攻古北口的日军川原所部处于极为糟糕的状况。由于之前推进过快，再加上无线电通讯发生故障，川原部与师团总部失去了联系，变成了孤立的部队。此前，川原部与107师已经激战三天，除去伤亡惨重，他们的弹药也几乎用尽。按理说，川原此时应该命令部队停下等待补给和恢复联系，但由于3月10日是陆军建军节，川原指挥官决定继续进攻，希望在这一天攻占国军的阵地，以示庆祝。 当时古北口阵地被划分为左翼、中部和右翼三部分，其中右翼由关麟征的戴安澜团守卫，张廷枢的部队负责防守左翼和中部。张廷枢和关麟征原本都认为，日军的主攻方向会是两翼，因为日军的迂回包抄战术在战场上极为常见。既然右翼有中央军驻守，张廷枢便将重兵布置在左翼，而中部阵地则只派了634团的部分兵力守住制高点，未增派更多兵力。 然而，3月10日下午2点，日军开始全面进攻古北口阵地，然而他们的攻击集中在了中央阵地，意图实现中心突破。相对而言，左右两翼的攻击力量较为薄弱，只有少量部队进行骚扰，另一部分则派出骑兵牵制中央阵地。虽然日军错误选择了进攻方向，但并不算什么大问题，毕竟战争的成败常常取决于指挥官能否根据实际情况作出迅速而准确的决策。 然而，在这关键时刻，张廷枢却并不在一线。事实上，他从一开始就被迫上阵，在关麟征师到达之前，张廷枢甚至公然拒绝驻守古北口。布置完防守任务后，张廷枢就将指挥部一再后撤，甚至最终撤到了王以哲部休整的位置，几乎完全脱离了前线。远离阵地的张廷枢无法做出及时的决策，而一线的东北军部队与中央军之间的协同作战意识也不强。中部阵地受到日军强攻的消息没有第一时间传达给关麟征，且由于戴安澜团的右翼阵地遭遇日军骑兵袭击，东北军也没有任何反馈。关麟征误以为日军的主攻方向是右翼，因此未立即指示增援，反而将中央军主力向右翼调动。 由于中部阵地没有得到及时增援，日军很快突破了中央阵地，驻守正面的东北军部队在未通知关麟征的情况下自行撤退。3月11日凌晨，日军集结重炮轰击东北军驻守的左翼阵地，东北军团长白玉麟当场阵亡。张廷枢得知消息后下令撤退，最终导致东北军全面溃败，而戴安澜团却在一片混乱中发现自己被日军包围。