沽源防線是由三十三軍第四師及第五師第十三旅防守，由于是草原地區，沽源的正面是遼闊的草原開闊地帶。沽源的防守工事是利用沽源城及前出大約5公里，組成了相對縱深的防守工事。此處的交通戰壕縱橫交錯，坑道和暗堡比比皆是，形成了相對完整的防守體系。
由于日軍在沽源和兔兒山防線，擔任空中掩護的轟炸機支援作戰不力，主要是北平南苑機場距離沽源太遠，日軍飛機在沽源滯空時間太短，因此日軍轟炸機的空中打擊大打折扣。如此，沽源防御作戰，一開始就投入了炮兵部隊參加防守，由此對于日軍的進攻起到了相當大的遏制作用。野戰第一炮兵師分別有兩個團在沽源和兔兒山參與防守。
沽源、兔兒山防線，日軍是在張家口打響後第二天，才發動進攻的。日軍動用第12師團對沽源防線發動進攻，動用14師團對兔兒山防線發動進攻。而騎兵第一軍第四師白虎臣部的兩個騎兵旅，擔任協防，主要是防止日軍在沽源、兔兒山之間的結合部實施偷襲作戰。另外，白虎臣的另一支騎兵旅擔負沽源和張家口之間的協防任務。由于大馬群山橫貫沽源和張家口一線，兵形成天然的屏障，因此這支騎兵旅的協防任務相對比較輕松。
激烈的戰斗已經打了5天，沽源、兔兒山防守部隊，有效地遏制了日軍的瘋狂進攻。放眼望去，日軍的坦克和裝甲車在前沿防守陣地前橫七豎八，被擊毀的殘骸遍地都是。5天時間日軍損失了一支戰車大隊。日軍的進攻重點轉向張家口後，為了減少傷亡，日軍由密集進攻隊形改為散兵線進攻。日軍的目的就是不斷地消耗守軍的實力，為南線攻佔張家口爭取時間。
針對守軍的炮兵，一開始日軍展開了炮戰。說來有些意外，日軍的75毫米野戰炮，其射程比己方大炮少將近1000米。別小看這一千米，在炮戰中日軍的炮兵吃了大虧。由于空中支援作戰不利，不能有效地摧毀我方的炮兵陣地和壓制我方的炮火，所以才造成日軍進攻部隊進攻乏味。
蒙疆佔領軍司令官西尾壽造意識到空中打擊的重要性，一方面督促多倫野戰機場加快籌建速度，一方面上報大本營在東北征調重炮部隊。果然不出所料，司令官加強張家口進攻，減弱沽源、兔兒山進攻，其目的就是為重點進攻察哈爾創造條件。目前他把位于赤峰的後續師團陸續向多倫集結。西尾壽造不是傻瓜，他同樣清醒的看到，攻佔張家口後，沽源防線和兔兒山防線不攻自破，因此他認為沒有必要再消耗下去，因此他下達了在沽源、兔兒山一線佯攻作戰。
沽源城師指揮所，五師師長李清源手里拿著望遠鏡向前方查看，前沿陣地硝煙彌漫，前方的情況看的不是十分清楚，但是他依然固執的向前探視。「師座！日軍的進攻又被打退了。日軍連續5天的集團進攻，今天好像攻勢減弱了，不知日軍耍什麼花招。」師長李清源說︰「以不變應萬變，通知前方部隊，一線兵力可以適當的撤出來一部分輪換休息，或許是日軍準備更大的進攻。」
不一會兒前沿陣地情況反饋回來，早7時在主陣地，日軍投入兩個大隊兵力，坦克出動20輛，裝甲車出動15輛。日軍前行500米處便停止了進攻。日軍在原地只是小規模的進攻了幾次，然後采用密集火力向陣地射擊。兩個小時後日軍撤退。前線報告，在炮兵部隊的支援下，日軍沒有進入前沿陣地300米以內，因此我部僅采用迫擊炮進行還擊，情況大致就是這樣。
這時，一名作戰參謀上前稟告︰「報告軍座！戰區司令部來電！」李清源接過電報仔細瀏覽了一遍。他放下電報說︰「司令部告知，日軍重點進攻轉向張家口方向。電報說我部正面壓力減少，要防止日軍出動騎兵部隊在沽源和兔兒山防線的結合部實施報復偷襲。看樣子張家口防守的壓力倍增，狡猾的日軍要集中力量突破。」
參謀長說︰「如果張家口防線失守，沽源和兔兒山防線也就失去了阻擊的意義，我擔心堅守一個月恐怕難以達到預期目的。」李清源說︰「這不是你我考慮的問題，上峰自有安排。現在咱們抓緊時間補充兵員，負傷的士兵向後方轉運。另外，不能讓日軍消停，組織小股部隊利用夜晚對日軍進行騷擾作戰。」「是！我親自去組織突擊隊！」說完參謀長離去。
沽源後方一處炮兵陣地，不少士兵戴著鋼盔、光著膀子正在休息，方才他們對前沿陣地實施炮火支援，顯然大家都累得夠嗆。「媽的！還是在一線拼殺過癮，咱們一個勁的開炮，就是看不見鬼子的身影，真他媽遺憾！」一名光著膀子、體闊腰圓的投彈手不滿說。「我說大個子，你的塊頭太大了，你要是上前沿目標太大了，恐怕這功夫你早去陰曹地府報道了。」「就是嘛！就你這塊頭早就是鬼子的目標了。」兩名士兵調侃說。
大塊頭說︰「你們是不是看扁我了，就我這身體上來三五個鬼子不在話下，你們誰行。」，「行了，你就別吹了，听說鬼子的槍法特準，一發子彈就要了你的命，你沒有機會和鬼子肉搏，還是老實干你的炮兵吧！你多輸送幾發炮彈，比你肉搏要實惠的多，」另一名士兵趁機打擊他。
大塊頭自豪的笑笑說︰「就是嘛！我一個人頂你們倆。你們分析一下，這兩天日軍為什麼沒有出動飛機？」一名士兵幽默說︰「大概是日軍飛機下蛋下累了，需要休息休息！」眾人聞听不由得笑了。這時炮長走過來說︰「大塊頭！閉上你的烏鴉嘴，日軍的轟炸機你沒有領教夠哇！馬上收拾炮彈殼，我們立即轉移陣地。」大塊頭嘟囔說︰「炮長！今天沒有日軍飛機，干嘛要轉移陣地！」「這是上峰的命令，執行吧！」
前沿某戰壕，當空的日頭火辣辣的。一名火頭軍挑著擔子從後面的交通壕走進。「今天吃什麼？」一名年輕的士兵問，火頭軍笑呵呵說︰「愣小子就你嘴饞，今天是大米飯、羊湯。」年輕士兵一聲歡呼，他是陝西人，羊湯就大米飯是他的最愛。年輕的士兵很快盛滿了兩飯盒大米飯，接著盛滿了兩飯盒羊湯。
年輕的士兵端到一名靠在戰壕牆上、年齡大約40歲左右、滿臉大胡子的老兵面前說︰「大叔，趕快趁熱吃吧！羊湯要是涼了就不好吃了。大胡子伸手接過飯盒說︰」你小子是餓死鬼托生的，一天竟想吃，這功夫我還不太餓那……」年輕的士兵說︰「大叔，你有所不知，我是陝西綏德人，我們那里太窮。我听說山西部隊吃得好、穿得好，我是偷偷跑到山西來當兵的，整整三年，我在部隊學習了文化，今年上前線前，我自己寫了一封家書，把部隊的情況告訴了我爹、我娘，他們要見到我寫的家書不知有多高興那。听說現在家里的生活也好了。」
二人靠在戰壕很快吃完了飯，大胡子拿出煙袋鍋準備吸煙，年輕的士兵掏出香煙遞過來一支說︰「還是抽這個吧！」「我抽不慣，還是旱煙有勁。」「大叔，每天發一包香煙，你都攢起來有何用？」「你小子不會過日子，等戰爭結束後，這些香煙都能變成錢。當年軍隊整編我去了軍墾農場，不滿你說我是一名孤兒，十幾歲就當兵，壓根沒有想到能娶妻生子。我的兒子已經三歲了，他們在農場生活的很好。即使我戰死也滿足了，這些香煙就算給兒子留點念想吧！」
說到戰死年青的士兵臉色陰沉說︰「前天，我的兩個老鄉都戰死了，說不定那天輪到我了。大叔，你說怪不怪，作戰時面對鬼子的進攻和頭上的炮彈不知道害怕，戰斗結束後反而感覺後怕，這是怎麼回事？」大胡子笑說︰「弟兄們都這樣，其實我也是這樣，面對鬼子的進攻你不可能有別的心思，閑暇下來反而想入非非。行了別想那嘛多了，戰斗時要頭腦靈活，注意保護自己，也許你命大福大看到咱們勝利的那一天。」
話音剛落，突然天空中傳來嘯音，大胡子馬上說︰「日軍炮擊了，快進貓耳洞。」20分鐘後日軍的炮擊結束，大胡子和年輕士兵各自趴在防守位置向前方查看。日軍進攻部隊進入500米左右又停了下來，接著日軍組織火力向前方陣地射擊。「媽的，小鬼子這是玩的那一處，和上午一樣怎麼不進攻了，」年輕人一邊問，一年爬到大胡子身旁。
這時一發子彈擊中了年輕人的鋼盔，年輕人嚇得一縮脖。大胡子說︰「媽的！小鬼子也知道害怕了，這是鬼子玩的騷擾作戰，今天老夫就開開葷。」說完大胡子抄起身旁繳獲的日本三八步槍說︰「日本的三八大蓋射程遠，在這個距離非常有效，美中不足的是被三八大蓋射中很少斃命，只是貫穿傷。」說完，大胡子把準星瞄向一名日軍的機槍手，伴隨一聲清脆的槍聲，那名日軍機槍手倒在地上??????。
下午日軍發動了一次進攻又撤退了。師指揮所，參謀長向師長匯報︰「師座，夜晚針對日軍騷擾作戰的偷襲小分隊已經組織好，共組成了10支小分隊，每支小分隊20人。為了避免小分隊出現危險，我命令小分隊一律攜帶輕型迫擊炮，對日軍營地實施突然打擊。」李清源說︰「很好！變被動防御為主動防御，我要日軍一刻也不得安生，命令小分隊午夜時分發動偷襲作戰。」
當晚6時，李清源接到偵察部隊報告，在沽源和兔兒山結合部6號地區發現日軍大批騎兵部隊。李清源電令白虎臣部，立即在6號地區尋找日軍騎兵，要堅決擋住日軍騎兵，不能讓日軍騎兵越過防線出現在後方。