1933年1月5日，日本侵略军进犯山海关，危及华北。傅作义便分电阎锡山、张学良、蒋介石，请缨上前线杀敌。15日，他以省主席名义发表《告全省民众书》，“希望全省同胞檩于困难的严重和绥远的危机，一致奋发，奋起救国御侮”。25日，率领第三十五军(临时番号为华北军第五十九军)由绥远开赴察哈尔、热河。
2月上旬，所部在张家口组成华北军第七军团，傅作义任军团总指挥，陈炳谦为总部参谋长，下辖三个军。傅令第六十一军李服膺部开往独石口、张北一带；第五十九军到昌平一带增防。5月14日夜晚，第五十九军奉命开至怀柔以西牛栏山一带，并在平古大道怀柔西北高地经石广、高各店之线占领阵地，构筑工事，准备阻击来犯之敌。傅作义带领参谋人员到前线侦察地形，并连夜制成各种式样的防御阵地图样印发各部队，限令20日前完成。
23日上午4时许，日军第八师团的铃木旅及川原旅团的福田支队，在十几辆坦克、十几门野炮、山炮及十架飞机的掩护下，向傅部前沿阵地发起猛烈攻击。激战三小时，双方均损失惨重。8时许，北平军分会委员长何应钦电话通知傅作义到北平商谈要事，傅答曰：“正在激战中，不能离开。”遂派军参谋长苗玉田去北平。何见苗后即说：我们与日军停战，已于昨晚达成协议。你们可马上撤至既设阵地。并要苗给傅传令。在三个小时内，苗给傅打了四次电话，傅均回答：“仍在激战中。”并说：“自孙兰峰团增加上去后，战斗迅速好转，我军此刻已收复数阵地，但日军仍在向我争夺中。”最后，何迫不及待地写了手令：“五十九军立即停止战斗，向高丽营附近集结撤退，详情另电。”傅接到此命令后，心情十分沉重，气愤地对陈炳谦说：“这样的战斗打得毫无价值，牺牲了这么多的官兵，他们以自己宝贵的生命换来的却是妥协停战，战士们能死而瞑目吗?”陈炳谦等人劝说：“别人都已停战不打，仅我们这点部队也难以战胜日本侵略者，既令停战撤退，只有服从。”傅却说：“必须日军先撤，我们才能撤，否则我们决不能后撤。”后经过交涉，决定双方同时后撤，傅作义才忿然下令撤兵。此役傅部牺牲三百六十七人，日军阵亡二百四十六人。长城抗日战争最后的一场恶战，就此宣告结束。
傅作义指挥的怀柔抗日之战胜利的消息传出后，全国务报均以大字标题登载报道。天津《大公报>)以“以血肉当敌利器，傅部空前大牺牲；肉搏千多次，使敛失所长；沙场战士血，死也重泰山”，赞誉第五十九军官兵。全国及海外各阶层群众代表纷纷来到北平慰劳，送来“为国干城”、“气壮山河”、“战史流芳”等锦旗。蒋介石也来电慰问，奖洋五万元。阎锡山奖洋五千元。日本报纸对傅部之勇敢善战甚表惊叹。日本《朝日新闻》上曾登载有如下一段：战地离北平城只有六十余华里，如不是傅作义部的精锐部队阻击我军，日军早已进入北平城了。
6月28日，傅作义奉北平军分会的命令率军返回绥远。途经张家口，市民设茶摆点，夹道欢迎。冯玉祥特到车站迎送，并向傅祝贺说：“你们是抗日胜利的英雄部队。”