为应对飞机轰炸，傅作义部各连工事均分为上下两层，炸毁上层，还有下层。各掩体内设有指挥部、弹药库、绷带所、厕所等。前后阵地之间有四通八达的交通沟。并且，为对付日军侦察机，阵地上都进行了伪装，伪装得甚至连人走到跟前也难于发现。</p>
1日，日军第8师团长西义一坐镇密云，派出飞机和小股部队进行试探性进攻，向阵地扔下少量炸弹，但损坏和伤亡很小。</p>
日凌晨4时，西义一派出铃木旅团和川原旅团福田支队，以飞机10架、坦克10辆，山炮、野炮各10几门的兵力，向一线阵地发起猛攻。日军以惯用战法，先以飞机大炮狂轰滥炸，再以坦克掩护数路步兵冲锋。</p>
前沿阵地的董其武第46团将士，凭借坚固工事沉着迎战，直到中午，日军都未能攻破该团主阵地。</p>
其间，上午8时左右，傅作义接到何应钦从北平来的电话，要他到北平去开紧急会议。傅作义因战事紧张，抽不开身，就让军参谋长苗玉田代往。</p>
中午，铃木亲自到一线指挥，把主攻方向改为左翼的第10旅薄鑫团。与此同时，还派出骑兵第7联队和早川步兵联队偷渡过河，向薄团后方迂回包抄。为打退日军围攻，炮兵连把山炮抬出掩体，在暴露的高地上用零线子母弹进行轰击。这种炮弹射出0米即爆炸，杀伤面积长、宽各0米。由于我军官兵有工事掩护，我军很少被自伤。但炮弹中的铅弹却使日军造成重大伤亡，日方《朝日新闻》随军报道称：“两军相距甚近，华军竟敢发炮射击，实属罕见，其勇敢令人惊叹。”</p>
骑兵第7联队和早川联队转而攻占了我方守备薄弱的茶坞村阵地，对其他阵地构成威胁。傅作义电令二线阵地的第11旅孙兰峰第41团增援收复。孙兰峰准备从背后抄袭日军，被日军发现，派骑兵来冲击步兵。孙兰峰留下重机枪连和一连步兵依托树林伏击日军骑兵，大部队继续前进。结果，敌骑不仅没有冲垮我方步兵，反而伤亡惨重，茶坞村阵地也被我方收复。当天，其他丢失的前沿阵地均被夺回。</p>
其间，在下午4时前后，双方激战之际，傅作义接到何应钦让苗玉田和其他人打来的4次电话，要其停止战斗。</p>
傅作义因两军胶着，自己不可能单方停战挨打，未予执行。此次连续15小时的恶战下来，第59军阵亡将士67人，伤400余人。日方阵亡40余人，伤600余人。</p>
当晚，傅作义让孙兰峰团替下了伤亡较重的薄鑫团。孙兰峰提出当夜扰袭日军的计划，傅作义认为不错。孙兰峰随即挑选了素质好的奋勇队员500名，配备上全团所有的冲锋枪，准备在1时出发实施夜袭。</p>
这时，上午派到北平参加何应钦紧急会议的苗玉田赶回来，他带来了何应钦的手令：“着第59军即刻停战，向高丽营撤退集结。”当晚，傅作义被迫传令部队撤离阵地。</p>
第二天，日军专门到第59军阵地来研究我方工事构造。日本《大阪新闻》报道说：有少数部队顽强抵抗，是役我军因受地雷之损失甚大，所以士兵不敢走不长草及无道路之地。……敌在高地筑有华夏式的坚固阵地，该阵地两旁伸出，一对密云前来之我军，一对由蓟县前来之我军，侧背之早川联队，突受敌千余人之进攻，结果伤亡约三百余人。在高地之敌，利用微小之枪眼孔射击，我军既难达歼灭之目的，又无法攻击前进……</p>
5月4日观看华夏式之阵地，实有相当之价值，且于坚硬之岩石中，掘成良好之战壕，殊令人惊叹。敌兵陷藏于坚固之穴中，仅露出寸宽、4寸长之枪眼，做殊死之抵抗。观其在作战中掩埋之遗体，其中尚有十六七岁者，且有类似学生者，青年之狂热可见一斑矣！</p>
当天，日军进至怀柔县城以南一带后，正准备继续向顺义进攻时，也收到了关东军司令部停止战斗的命令。于是，牛栏山一战，成为整个热河--长城抗战的最后一战。</p>
怀柔抗战胜利的消息，被全国各报竞相报道。傅作义率部返绥后，将长城抗战牺牲的阵亡将士遗骸收敛安葬于城北大青山下，并下令建立烈士陵园，树立纪念碑，请胡适作了一篇白话体的碑文，碑文由钱玄同书写。碑文最后写道：</p>
这里长眠的是二百零三个华夏好男子！</p>
他们把他们的生命献给了他们的祖国。</p>
我们和我们的子孙来这里凭吊敬礼的，</p>
要想想我们应该用什么报答他们的血！</p>
日，日本大使馆海军武官藤原单独约见了黄郛，藤原告知日方停战的四项条件，并提出要何应钦任命和谈代表赴密云正式和谈。</p>
何一方面派出代表去密云和谈，一方面报告蒋光头和汪精卫（此时已复任行政院长）和谈进展，另一方面准备撤离北平搬到丰台的长辛店以南。日军没有占领北平的打算，若是何真的撤离反倒让关东军收不了场了。谈判中，日方严厉要求华夏5日凌晨点前必须答复4项条件。日方提出的停战协定内容如下：</p>
一、华夏军队一律迅速撤退至（北京的）延庆、昌平、高丽营、顺义、通州，（廊坊的）香河，（天津的）宝坻、林亭口、宁河（芦台）所连之线以西、以南地区。尔后，不得越过该线，且不作一切挑战扰乱之行为。</p>