5月14日拂曉時分，日軍步騎兵約2000餘人，配備20餘輛坦克，在飛機重炮掩護下進攻潮河右岸尚未攻克的中方陣地。
激戰3小時後，被第25師75旅擊退。
下午13時，第17軍軍長親至渤海砦第25師師部，命令第25師於拂曉後移駐陳各莊、范各莊附近集結整理。
5月15日，軍長徐庭瑤向委員長報告第17軍所部參加古北口戰役之經過以及傷亡情形。
同日，日本關東軍發表公開聲明，稱只要中國軍隊放棄抵抗，日軍可以停戰。
當日，為與日軍談判停戰，北平軍分會命令第17軍全部撤出戰鬥。
最終，第 17軍全部撤出南天門陣地，第 2師調往密雲休整，第 83師和 25師大部進駐北平城。
但，談判的同時，日軍為了爭取更大的籌碼，並沒有停止攻擊。
古北口淪陷後。
北平軍分會令第26軍蕭之楚部駐防九松山預備陣地敵前接防。
北路日軍第8師團、騎兵第4旅團一部則乘勢於5月19日攻陷密雲。
灤東方面，早於5月7日，日軍第6師團，第14及第33混成旅團3萬餘人，出冷口、遷安一線進攻灤東地區，威脅平津。
以海軍第2外遣艦隊沿秦皇島—塘沽海岸線策應。
當天日軍即突破灤河東岸突出部東北軍第51軍陣地，繼而向兩翼擴展。
5月11日夜，從多個渡河口成功渡過灤河。
北平軍分會乃令何柱國、于學忠、萬福麟部撤至寧河、寶坻一線，並令商震、王以哲等部也撤往該線，與北部第29軍據守平谷—三河防線銜接，企圖穩定防線。
但壞消息是接踵而至。
5月16日，遵化淪陷。
18日，玉田淪陷。
19日，薊縣失守。
至5月下旬，南路日軍主力攻陷秦皇島、北戴河、撫寧、盧龍、灤縣、昌黎、唐山、樂亭等地，推進至蘆台，天津危急。
北平軍分會急令第59軍傅作義部迅速向懷柔一線展開，以阻止日軍行動。
此時，國軍已在長城沿線苦戰兩個月，人員、裝備均損失極重。
陷入孤軍鏖戰的危局。
國民政府在無兵可調的情況下，被迫轉向與日本「媾和」。
5月21日，第59軍易地進抵懷柔郊外將日軍先頭部隊擊退。
5月23日拂曉4時，日軍第8師團主力在飛機，大炮掩護下，強攻懷柔，第59軍官兵與敵連續激戰15小時有餘，擊退敵11次進攻，斃傷敵千餘人，並擬定於當晚組成敢死隊夜襲敵營。
但卻在是夜7時，由於受到和談影響，北平軍分會何應欽命令：「著全軍即刻停戰，撤至高麗營集結」。
此後，何應欽又三次致電傅作義，命令全軍立即開始後撤高麗營一線。
午夜，第59軍以團為單位逐次向指定地點秘密撤退，長城抗戰最後一仗就此結束。
5月下旬，日軍進至順義附近，距北平僅50餘里，同時，原來準備從遵化、薊縣向北迂迴企圖突襲，夾擊古北口的國軍，見國軍已撤退，遂西向三河挺進，第29軍守衛部隊也奉令後撤通縣，三河淪陷。
南路日軍占灤東後，又兵分兩路，一路繼續據蘆台威逼天津。
另一路則轉進寶坻進逼香河，與進迫通縣和順義之日軍，對北平形成三面包圍的態勢。
日本飛機在北平上空盤旋示威。
至5月下旬，日軍已侵占平津以東地區22個縣，進至北運河與薊運河之間，已損失慘重的國軍在此兩河地區，勉強與敵對峙。
整個長城抗戰，中國投入包括中央軍、西北軍、東北軍、晉綏軍及其他雜牌部隊在內，共9個師，29個步兵師，5個騎兵師共25萬人，傷亡4萬餘人，日軍傷亡僅2600人（另二說傷亡四千餘人或五千餘人）。
第29軍喜峰口大捷和第17軍血戰南天門、古北口，都是「最悲壯的犧牲」。
傅作義在奉命後撤時，曾對何應欽說：「只有敵軍先撤，我們才能撤。我們決不在敵人火力下撤退」。
5月25日，何應欽派代表，參謀本部第二廳長徐祖詒以北平軍分會上校參謀徐燕謀的名義赴密雲，向日軍第8師團長兩羲一中將正式提議停戰。
然後在日方擬定的《關東軍司令官之意志》備忘錄上簽字，雙方就停戰談判問題取得一致意見，該備忘錄在永津備忘錄上增加「日方為檢查中方誠意，要派飛機偵察及必要的人員視察中國軍隊撤退情況，中方對此要給予保護和便利」，該條示永津臨行前增加。
對此，徐燕謀提出異議，經爭議，最後將「人員視察」改為「或其它方法」。
隨後，關東軍司令官命令各部隊停止作戰。
5月30日，中日停戰談判在塘沽日陸軍運輸派出所正式舉行。
中方首席代表為北平軍分會總參議熊斌，日方首席代表為關東軍參謀副長岡村寧次。
日本海軍艦艇同時開入塘沽港以示威脅。
5月31日，岡村寧次則蠻橫地表示：「鑑於此次停戰協定之性質（指日軍掌握了戰場主動權），只需質問中方是否同意關東軍所提示之協議案，故中方上述提案不在回答之列」。
中方代表熊斌曾提出，要求日方刪除協定草案的第4條（即關於「刺激日軍感情的武力團體」一項）遭到日方拒絕。
日方堅持所提原案不得改動一字，中方首席代表被迫屈辱簽字，且立即生效。
《塘沽協定》主要條款如下：
一，中國軍一律迅速撤退至延慶、昌平、高麗營、順義、通州、香河、寶坻、林亭口、寧河、蘆台所連接之線以西及以南地區，爾後不得越過該線，亦不各有挑釁擾亂之行動；
二，日軍為證實第一項之實行情況，得隨時以飛機及其他方法進行監視，中方對此應予保護，並提供各種便利；
三，日軍在證實中國軍隊已遵守第一項規定時，不再越過上述中國軍之撤退線繼續進行追擊，並主動回到長城一線；
四，長城線以南及第一項所示之線以北，以東地區內之治安，由中方警察機關負責維持。上述警察機關不得利用刺激日軍感情之武力團體」。
據此協定，河北省灤東等地的19個縣被劃作了「非武裝地帶」，中國軍隊無設防權力。
協定在實質上承認了日本侵占熱河省的「合法性」，使「偽滿洲國國界」擴展至長城一線，而且使平津地區大門洞開。
另外依第1條和第4條及附則規定，中國軍隊必須從冀東撤走，代之以「不刺激日軍感情的中國警察機關」，變冀東為所謂「停戰區域」。
這使得中國失去了在冀東實質性主權，「無形中造成中國領土的又一次割裂」。
毫無疑問《塘沽協定》是喪權辱國協定，助長了日本「華北自治運動」。
長城抗戰的失敗和主要原因。
除了中國貧落，美英等列強消極應對，更重要的原因是國內分裂。
而張學良消極應對，指揮又不利，且東北軍集團內部派系鬥爭，也是失敗的主要原因之一。
給整個中國軍隊作戰造成極負面影響。
張學良和東北軍是戰敗的罪魁禍首。