赵登禹心里明白，进攻喜峰口的日军有两个主力旅团，再加上伪满军总兵力达3万人以上，而自己只有数千人，兵力相差悬殊；而且日军武器精良，士气骄横，不可一世，如果长时间对峙下去势必会使自己陷于被动境地。为了争取主动，赵登禹不顾疲劳，于9日午夜，命令刚刚赶到的二一八团两个营分两路出击，奇袭白台子和蔡家峪的日军。两路健儿一律轻装，手持大刀飞驰敌后，在l0日凌晨2时左右分别到达出击地点。一声令下，中国军队如神兵由天而降，大刀飞舞砍向日军。日军做梦也想不到会有人从天险一般的背后杀进来，仓促应战，但在二十九军大刀队面前显得分外无能，激战一个小时，二一八团共砍杀日军500余名，胜利地抢占了白台子和蔡家峪。
日军失去两处阵地，自知遇到了强敌，到10日拂晓集中全部炮火，掩护数千名步兵成梯队状，对喜峰口、铁门关的赵登禹主阵地发动猛烈进攻。一o九旅寸土不让，多次跃出战壕与日军进行肉搏战。赵登禹身先士卒，持刀督阵，并亲率特务营增援侧翼阵地，激战中腿部中弹，鲜血流淌，他一面裹伤一面指挥，毫不退缩。战至中午，一o九旅官兵伤亡400余人，特务营营长王宝良等8位军官壮烈牺牲。敌人蜂拥而上，情况已经到了万分危急的时刻。赵登禹决心与阵地共存亡，始终站在最前沿，鼓舞着自己的部下。就在这最危急的时刻，二十九军一一0旅和一一三旅的增援部队一夜奔走百余里山路，奇迹般地出现在喜峰口，两军会师，军威大振，进攻的日军终于败退下去。
鏖战两天，敌我双方都受到极大损失。赵登禹正在苦思破敌良策时，传来了军部的命令，令赵登禹立即组织敢死队，迂回敌侧，对敌人的炮兵及主要侧翼阵地进行奇袭。赵登禹闻令大喜，立即作出部署：由二一七团王长海团长率4个连奇袭敌人蔡家峪、白台子的炮兵阵地；自己亲率董升堂的二二八团，沿长城出击北土山、南北丈子之敌，成功后两路并进共同向喜峰口之敌发动攻击。营团长们接到命令后，个个摩拳擦掌，准备出击。但部属认为赵登禹腿部有伤，不宜远行，纷纷劝其留在原地指挥。赵登禹以大刀为杖，腾地站起来，忍着剧烈的伤痛说：“大敌当前，主将岂能畏缩不前‘说罢毅然挺身向前，率部踏上征途。
山陡风急，月明雪白。两路奇袭大军身背大刀，顶风踏雪，沿山道疾驰而进。赵登禹尽管伤口疼痛，但他半步也不落后，始终走在队伍前边。子夜时分，大刀队进抵北土山。在这里驻扎的日军骑兵部队，根本没想到苦战了一天的中国军队还有力量远途奔袭，一个个酣睡正香。大刀队出其不意闯入敌人帐篷，月光下但见寒光闪闪，大刀落处敌人尸横遍地，侥幸未死的也吓得魂飞魄散，抱头鼠窜。大刀队奋勇追杀，片刻间就把这一小股日军全部歼灭。
袭击三家子之敌的第三营，在接近敌营时被敌哨兵发现，刹那间枪声大作，敌军于睡梦中惊醒，仓促应战。赵登禹命令奔袭队集中急袭横城子、北丈子之敌。大刀队员们如下山猛虎，锐不可挡，大刀飞舞，敌首纷纷落地。日军一阵惊慌过后，倚仗有精良的武器，与大刀队员展开肉搏战。一夜混战，天色大亮时，已有半数以上敌军被歼。由于日军主力源源不断地从大道赶来增援，赵登禹率领大刀队在缴获日军大量机密文件后，于下午两点向长城内后撤。
攻打蔡家峪的王长海部于黎明前赶到蔡家峪，趁着锐气冲入敌营，发挥大刀的神威尽歼守敌，控制了蔡家峪及白台子周围的高地。不久天色大亮，敌人集中兵力以重武器对我军发动反攻，二一七团副团长胡重鲁、代理营长王凤芝皆在混战中殉国。部队摧毁敌人大量军火后，原路撤回。
此次夜袭，二十九军出动数千人，斩杀日军1400余人，击伤敌人1000余人，缴获大量枪支弹药，摧毁敌人无数战略物资，以1000余人的代价，换来了抗战后的第一个大胜利。捷报传来，全国百姓为之欢欣鼓舞，赵登禹由此名扬全国，国民党统帅部向赵登禹授中将军衔，颁发青天白日勋章，并升任一三二师师长。
由赵登禹发明训练的大刀抗敌战术，以后在抗日战场得到发挥运用，使日军闻之丧胆。后来有音乐家根据二十九军大刀队的事迹，谱写了《大刀进行曲》，其歌词很快传遍抗日战场：
大刀向鬼子头们的头上砍去，
二十九军的弟兄们！
抗战的一天到来了，
抗战的一天到来了！
前面有东北的义勇军，
后面有全国的老百姓。
咱们二十九军不是鼓军，
看准那敌人，
把他消灭，把他消灭！
大刀向鬼子们的头上砍去！
冲啊，杀！
1937年7月7日，卢沟桥事变爆发。日本对中国发动了全面的武装侵略，全国人民同仇敌忾，掀起了抗日救国的高潮。赵登禹所在的二十九军当时正驻防北平。事变发生的当天深夜，守卫卢沟桥的二十九军三十七师何