民国22年（1933年）2月日寇图谋热河，国民政府任命汤玉麟兼任第55军军长，继又宣布他为第五军团总指挥、热河省驻防军上将总司令，统帅20万守军负责建平至赤峰一线防御和作战任务。但国人认为汤玉麟不可靠恳请行政院长兼财政部长宋子文加强热河防务。2月11日宋子文飞到北平与张学良商议热河防守问题。2月16日下午社会民主人士在东城外交大楼成立了东北热河后援协进会，张伯苓当选为主席，会上通过章程并决议：（一）通电全国人民热河后援会成立，要求全国一致起来援助；（二）通电全国军政官兵，请一致团结御侮，并决定派人去热河察看情形进行援助。2月16日张学良在顺承王府官邸召集有关将领会议分配防务作去热河的准备。因汤玉麟对张学良下达东北军不抵抗命令致使东北三省丢失，陷三千万父老乡亲与日寇的铁蹄之下而不满，因而蔑视张学良的领导地位；而张学良认为自己下达不抵抗命令只是怕脾气暴躁的东北军引起两国纠纷所以下令约束他们，不想日本关东军竟真的动起手来，因此张学良要抗战了，但因汤玉麟不听他的指挥棒，所以张学良要临战前换将，让他的伯父张作相(原吉林省主席)取汤玉麟而代之，出任热河防务主帅，任总司令，降汤玉麟为副总司令。汤玉麟闻知大怒对张学良重用私人的做法大为不满，更觉得张学良要借此机会除去异己夺他的兵权，因而将帅之间发生矛盾。

民国22年（1933年）2月17日宋子文与张学良来到热河，汤玉麟闻讯大骂说：“小六子（张学良小名）是不是勾结宋子文等来打我的主意！”众将说：“宋子文是代表中央，张汉卿是华北直接指挥的长官，因热河防务吃紧前来观察名正言顺，阁帅不应加以阻止还应趁机向他们要些钱、要物。”汤玉麟于是率文武官员数十人至郊外广仁岭迎接，并将宋子文、张学良等安置在承德都统公署。次日举行会议，宋子文表示：“南京与全国皆非常关怀热河的安危，请大家保国卫土，所需饷械我当负责，并与汉卿（张学良）随时接头办理。”张学良亦勉励大家：“誓守热河准备反攻，以雪九·一八之耻。”宋、张二人只谈些冠冕堂皇的形势却没有任何战略决策，汤玉麟非常愤怒，他先表示“决心誓与日寇周旋不放弃一寸国土”；而后他在会上指责宋子文、张学良道：“为什么不给热河军队提供军饷枪械，这是抗日吗？连个屁都没有，能打日本人？”但宋子文、张学良只想贪政治彩头，在军事防务会议没有召开的情况下就急着将他们由北平带来的由宋子文、张学良署名致日内瓦中国驻国际联盟代表团的电函发出表示：“中国政府和人民决心抵抗日寇的侵略，集中兵力保卫热河，请向国联和全世界声明”；同时还发出了由张学良、张作相、汤玉麟、万福麟、宋哲元等27名守卫热河的将领联名通电：“向南京及全国表示决心抗战，呼吁全国一致支持”；而后宋子文、张学良就离开承德返回北平，这种仓促而不负责任的部署已经注定了战争的失败。汤玉麟是张学良的前辈因而以长辈自居，根本不把张学良放在眼里，也不肯接受第三集团军司令张作相的指挥，张作相因汤玉麟不肯配合他，使这位总司令如同虚设，主帅不合致使军心动摇，各部队也对战事无信心、无决心、无准备。在热河危急的紧要当头，奉命前来驰援的第41军军长孙殿英等将领都以汤玉麟的马首是瞻，热河官兵则要求政府先发三个月军饷让将士们吃饱了肚子再去御敌，而蒋介石却将希望寄托在联合国出面干预所以对热河也不加戒备，但日本却主动退出联合国，使其挣脱了联合国的束缚，因此对中国领土的要求更加肆无忌惮。

民国22年（1933年）3月1日日军照会国民政府要求辙退热河驻军而遭拒绝；3月2日日军乘热河省将帅不和之机，由日本关东军司令亲率三个日本师团，并配有张海鹏和于芷山的伪军，举兵十万大举进攻热河省。日军以锦州为大本营分兵三路对热河省发动进攻：一路由绥中进攻凌源；一路由锦州进攻朝阳；一路由通辽攻进开鲁。此时热河省防务还没有部署到位，张作相原计划配备的防守兵力有多一半尚未到达防地，根本未构成一个防御体系。汤玉麟部的崔兴武旅负责防守开鲁一线，其部在日军飞机、坦克陆空配合作战下首先投降；万福麟的第四军团负责防守凌源一线亦闻风溃退；朝阳随即失守，三条阵线同时溃败使日军如入无人之境。日军攻占凌源、赤峰一线，热河告急，守土主帅张作相不思抵御之策却率先乘汽车逃往古北口。3月3日日军分三路大举进攻热河省会承德，先头部队128名骑兵已出现在承德城外，汤玉麟留下孙殿英部抵御日军，3月4日晨汤玉麟率5000余人保护着省政府机关人员撤出热河退至滦平欲从古北口入北平。但滦平守军接到张学良的命令奉命阻止汤玉麟回北平；汤玉麟无奈只好率部经三道梁、长山峪转赴安匠屯逃往丰宁。4日13时日军由承德商界代表迎接入城。热河之役的主帅张作相、汤玉麟都走了，土匪出身的孙殿英却率部与日军浴血奋战七天七夜歼敌四五百人，打出了中国军人的威风受到全国人民的好评（可十年之后，这位抗日将军孙殿英却投降了日本人，当上了伪第四方面军总司令）。日军仅用了七天时间占领了热河省全境，消息传出舆论大哗，宋庆龄女士在国民御侮自救会成立大会上愤怒遣责道：“谁是防守热河的，鸦片将军汤玉麟，他就是开门放日本军队进中国的”。东北民众抗日救国会和热河后援会建议张学良把汤玉麟捉住正法，以振士气而励人心，但汤玉麟已逃往察哈尔竟得幸免。

张作相、汤玉麟丢失了热河省，全国舆论哗然同声谴责南京的军事和外交。3月8日国民政府正式宣布对汤玉麟“褫职查办。”但丢失东三省和热河省的主帅是张学良，因而国人将攻击目标主要集中在张学良身上，甚至直指蒋介石。3月8日张学良被迫向南京政府辞职，蒋介石派军政部部长何应钦视察北平做好接管准备，自己也偕宋子文北来于石家庄电约张学良到保定会晤。3月9日张学良偕北平绥靖公署副官署长汤国桢等到达保定，宋子文代表蒋介石与张学良谈判：认为热河失守，张学良守土有责受到全国人的攻击，中央政府更是责无旁贷蒋介石首当其冲，当时只有先下去一人以避浪潮。张学良同意先行下野，于是蒋介石才来保定与张学良相见。宋子文与张学良商谈了善后问题拟将东北军编组为四个军，由于学忠、万福麟、何柱国、王以哲四个人分别统率，北平军分会由何应钦任代理委员长，并调中央军第2师黄杰和第25师关麟征开赴古北口，以抵抗日军的前进。蒋介石对日本继续推行他的外交为主政策，并调黄郛到北平来主持政务专办对日外交。汤玉麟退路已绝，伪满洲国乘机派代表约见汤玉麟的儿子汤佐荣，再次以汤玉麟出任满州国参议府副议长兼热河省省长为诱饵劝汤玉麟投降日满。同年3月国民政府侦知此举，认为汤玉麟有叛国之意则下令通缉汤玉麟。但汤玉麟并没有卖国，他拒绝接受伪职维护了自己的尊严。

民国22年（1933年）4月14日汤玉麟率部撤至察哈尔，为了表示自己的抗日决心；5月汤玉麟亲至河北赤城县独石栅子与抗日同盟军北路前线总指挥吉鸿昌及抗日救国军总司令方振武密商抗日大计，被任命为抗日同盟军察东游击司令。民国33年（1934年）1月汤玉麟率部宣布“抗日”，他率军配合吉鸿昌发动了收复多伦、古源等战役给日寇以沉重打击。10月汤玉麟因与刘桂堂争夺防地发生战斗，察哈尔主席宋哲元出面为其二人调解，汤玉麟同意接受宋哲元29军改编，并出任29军总参议。国民政府得知汤玉麟接受改编，查知其并没有投敌之举，又主动放弃军权，为了鼓励其部抗日，洗刷他的不白之冤；12月27日民国政府辙销了对汤玉麟的通缉。

民国33年（1934年）5月中央军委会礼聘汤玉麟为军委会北平军分会高级顾问，汤玉麟的复出遭到国人的反对；同年底汤玉麟被迫宣布辞职携家眷隐于天津租界的别墅。汤玉麟在抗日战争其间多次拒绝出任伪职，度过了一生中最为平静的岁月。解放战争时为了安全，汤玉麟曾搬到花园路3号居住。1949年2月病死于天津，终年80岁。汤玉麟旧部在抗日战争中，参加了宋哲元领导的29军抗日，打出了威风，一雪热河之耻；而其部炮兵总监耿继周与营长李芳廷都成为抗日义勇军名将，各率一军在白山黑水间给日寇以重创，汤玉麟地下有知也会感到欣慰的。

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