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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。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。
沽源城师指挥所，五师师长李清源手里拿着望远镜向前方查看，前沿阵地硝烟弥漫，前方的情况看的不是十分清楚，但是他依然固执的向前探视。“师座！日军的进攻又被打退了。日军连续5天的集团进攻，今天好像攻势减弱了，不知日军耍什么花招。”师长李清源说：“以不变应万变，通知前方部队，一线兵力可以适当的撤出来一部分轮换休息，或许是日军准备更大的进攻。”
不一会儿前沿阵地情况反馈回来，早7时在主阵地，日军投入两个大队兵力，坦克出动20辆，装甲车出动15辆。日军前行500米处便停止了进攻。日军在原地只是小规模的进攻了几次，然后采用密集火力向阵地射击。两个小时后日军撤退。前线报告，在炮兵部队的支援下，日军没有进入前沿阵地300米以内，因此我部仅采用迫击炮进行还击，情况大致就是这样。
这时，一名作战参谋上前禀告：“报告军座！战区司令部来电！”李清源接过电报仔细浏览了一遍。他放下电报说：“司令部告知，日军重点进攻转向张家口方向。电报说我部正面压力减少，要防止日军出动骑兵部队在沽源和兔儿山防线的结合部实施报复偷袭。看样子张家口防守的压力倍增，狡猾的日军要集中力量突破。”
参谋长说：“如果张家口防线失守，沽源和兔儿山防线也就失去了阻击的意义，我担心坚守一个月恐怕难以达到预期目的。”李清源说：“这不是你我考虑的问题，上峰自有安排。现在咱们抓紧时间补充兵员，负伤的士兵向后方转运。另外，不能让日军消停，组织小股部队利用夜晚对日军进行骚扰作战。”“是！我亲自去组织突击队！”说完参谋长离去。
沽源后方一处炮兵阵地，不少士兵戴着钢盔、光着膀子正在休息，方才他们对前沿阵地实施炮火支援，显然大家都累得够呛。“妈的！还是在一线拼杀过瘾，咱们一个劲的开炮，就是看不见鬼子的身影，真他妈遗憾！”一名光着膀子、体阔腰圆的投弹手不满说。“我说大个子，你的块头太大了，你要是上前沿目标太大了，恐怕这功夫你早去阴曹地府报道了。”“就是嘛！就你这块头早就是鬼子的目标了。”两名士兵调侃说。