为进行平绥路作战，日军以独立混成第1旅、混成第2、第15旅和大泉支队、堤支队，航空第2飞行集团（共14个飞行中队），编成关东军察哈尔派遣兵团。中国驻屯军以第5师和独立混成第11旅参加平绥线东段作战。
为了加强华北的防御，蒋介石于8月初先后任命傅作义为第7集团军总司令，刘汝明为副总司令，汤恩伯为前敌总指挥，负责平绥路东段之防御，在南口地区，以汤恩伯第13军之第89师和第94师沿长城线右自南口左至宁强堡组织阵地防御；以高桂滋第17军之第21、第84师部署在宁强堡—赤城—龙关一线，对热察边实施防御。在张家口地区，以刘汝明第68军之第143师担任正面防御。另以傅作义之第35军，赵承绶之骑兵第1军集结于绥东之集宁、兴和地区，作为机动兵力。
（一）南口——张家口战役
中国第13军于8月7日晨全部到达南口地区并进入阵地。8月8日，日中两军即展开前哨战。8月11日，日本驻屯军命令独立混成第11旅主力在飞机、大炮、坦克火力支援下，向南口展开攻击；以一部向南口西侧长城线助攻；以另一部佯攻得胜口。中国守军第89师在南口车站和龙虎台高地顽强抵抗后，于12日退守长城要隘居庸关、八达岭一线主阵地。13日，蒋介石电令石家庄卫立煌之第14军及第85师编成第14集团军，车运易县，经平西山地增援南口，并以第1军团出房山掩护该部前进。12日后，日军曾多次向中国守军发动猛攻，均被击退。
战至17日，日军第5师一部占领了长城防线上的最高峰——1390高地，并以其主力向守军右翼镇边城迂回，使守军的防御处于危急状态。18日傅作义奉命率一师三旅车运怀来增援。19日，双方争夺空前激烈。在镇边城方向，两军在黄老院、禾子洞、沙锅铺等地反复冲杀，一日之内守军伤亡1200余人。在居庸关方面，日军也倾全力攻击，并突入该关南门，又被守军击退。
为挽救危局，汤恩伯于19日下令调整部署，将得胜口、居庸关、镇边城一线划分为三个固守区，由第89、第21、第4师和第72师一部分别固守。傅作义亦准备指挥守军向进攻的日军展开反击。正当此时，察北日军开始向中国守军攻击，张家口告急。于是，傅作义又率第200、第211两个旅由下花园车运回援张家口，留下第72师和独立第7旅归汤指挥。奉命北上增援的卫立煌部于21日进至门头沟西北30公里的傅家台、千军台一线时，日军第6师牛岛支队已占领阻击阵地。卫军前进受阻，侧后又受到良乡西部日军第20师的威胁。于是，卫军转取守势。由于中国守军与援军被隔断，第72师各部在长城峪、灰岭子和镇边城等地与日军反复争夺，终因孤立无援，镇边城乃于23日被日军攻占。
日军随即兵分两路：一路西进怀来；一路向东北方向包抄长城正面守军前沿阵地。25日，日军在横岭和居庸关两地与守军激战。在危急情况下，汤恩伯于26日午后下令中国守军向桑干河右（南）岸突围。日军左翼第5师和右翼独立混成第11旅，于8月26日和27日分别占领怀来和延庆。至此，南口战斗结束。
此役历时半月，中国军队伤亡26736人，日军伤亡据日方公布为2600余人。南口作战虽然失败了，但中国守军英勇顽强、不怕牺牲的精神是值得称颂的，其影响也是大的。9月6日，中共中央机关刊物《解放》发表短评说：“不管南口阵地事实上的失却，然而这一页光荣的战史，将永远与长城各口抗战、淞沪两次战役鼎足而立，长久活在每一个中华儿女的心中。”＇《解放》第1卷第15期，解放周刊社，1937年9月版，第1页。＇
在南口前线中日两军激烈战斗之时，日本关东军察哈尔派遣兵团趁势向张家口方向发动攻击。8月20日夜，日军混成第2旅从张北的二台出发，突破中国守军的长城防御，占领了神威台。22日，日军乘胜进攻旧万全，中国守军第143师进行抵抗后，于23日退守张家口西南、平绥线上的孔家庄一线高地。日军占领旧万全后，继续向孔家庄守军发起进攻。中国守军曾以有力的反击，迫使日军转取守势。经三昼夜激战，日军始占领该地并切断了平绥路。此时，东援南口的傅作义立即率两个旅赶回张家口，组织固守城垣并反击日军，但未能抑制住日军的攻势。26日以后，整个战局严重恶化，南口、怀来失守。
27日，刘汝明下令所部向洋河南岸撤退，张家口遂告沦陷。日军左翼之大泉支队于20日从沽源开始南进，26日，占领独石口以西之三间房。
27日，再占宣化，与由张家口东进的混成第2旅会合。
29日，日军第5师亦进至宣化。至此，进攻平绥路东段的两支日军会合。
与此同时，日军独立混成第1旅占领了张家口以西的柴沟堡。中国第2战区防守平西的部队受到日军南北夹击的威胁，遂分头向天镇、蔚县方向撤退。
（二）大同、归绥沦陷
日军占领南口和张家口以后，中国驻屯军第5师集结于怀来、下花园之间。关东军察哈尔派遣兵团集结于以张家口为中心的宣化、柴沟堡地区。9月6日，日军第5师根据方面军关于“迅速进入蔚县附近，准备对保定平原作战”的指令，分三路向南推进。担任蔚县守备任务的中国第68军刘汝明部未与日军接触即行后撤。汤恩伯急令第17军高桂滋由广灵速派一个团去蔚县填防。高部所派之团尚未到达蔚县，日军第5师就已先行入城。随后，日军于14日陷广灵，16日取涞源，20日占灵丘，准备突破内长城线后，参加保定会战。
在日军第5师南下的同时，关东军察哈尔派遣兵团亦以混成第2、第15旅等部在伪蒙骑兵9个师协同下，沿平绥路向西进攻。9月6日，日军强攻天镇。驻守天镇的第61军之第299团孤军奋战，坚守天镇达一周之久。9月11日，日军占领天镇，接着向大同进逼。13日，大同守军弃城而退，日军不战而占大同。尔后，日军继续向前推进。17日，攻占大同北面的丰镇，24日攻陷绥东重镇平地泉（今集宁）。随后，又向西发展进攻。10月13日，日军占领绥远省会归绥（今呼和浩特），16日又占绥远重镇包头。至此，平绥线作战遂告结束。
平绥路沿线作战自8月11日至10月16日，历时两月有余。平绥路作战中国军队失利，使日军完全控制了内蒙地区，解除了其主攻方向的侧背威胁，消除了日军南下冀、晋的后顾之忧，为中国华北防御作战带来了不利的影响。
三、平汉、津浦铁路北段的作战
8月下旬，日军在平绥线取得进展后，即以第20、第6、第14师在北平，以第10师在天津，分别向南进占良乡、固安、静海附近地区。8月31日，华北方面军成立后，即根据日军参谋部关于进行华北会战的命令，于9月4日制定了《华北会战指导方略》。《方略》规定将会战的重点放在河北省中部的平汉沿线，由第1集团军担任该线作战，第2集团军负责津浦线作战，第5师从蔚县南下参加河北省中部会战。为保证第1集团军在重点方向平汉线的作战，方面军除令第5师南下蔚县，以确保平汉线右侧安全外，还令第2集团军先向津浦线进攻，以保障平汉线左侧的安全。
日军第1集团军于9月11日下达命令，规定9月14日开始攻击。具体部署：
以第20师攻击涿县北面之中国军，尔后，迅速进入易县以南地区；
以第14师迂回涿县以南地区，切断第20师正面中国守军的退路；
以第6师攻击其当面固安以南地区，然后进入定兴附近；
以第50团为军预备队，位于良乡。
9月11日，日军第2集团军占领了津浦线上的马厂和青县，并以一部兵力进至青县以南的兴济镇。为防御日军由平津沿铁路线向南进攻，国民政府军委会于8月20日颁布了第1战区作战指导计划。确定北正面的主要任务是：阻止日军沿津浦、平汉铁路南下，同时侧击日军对南口方面的攻击。并区分第1集团军力右地区队，第2集团军为左地区队，第14集团军为总机动部队。
据此，石家庄行营于8月下旬决定，在房山至保定之间构筑三道防御阵地：
第一道设于房山、琉璃河、固安之线，由孙连仲的第1军团（第26路军）配属骑兵第10师构筑与防守；
第二道设在易具、涞水、高碑店一线，由曾万钟的第3军构筑与防守；
第三道设于满城、保定、新安镇一线，由关麟征的第52军构筑与防守。
（一）保定、沧县地区的战斗
9月14日，日军第1集团军从北平附近出发，分三路向涿县、保定地区大举进犯，其第20师由正面向琉璃河、涿县方向进攻；第14师于永清、第6师于固安方面渡过永定河，分别向涿具南面和定兴方向迂回。中国守军第1军团（第26路军）、第47师、骑兵第10师等部，依托防御阵地，对日军进行了顽强的抵抗，伤亡严重。至18日，日军第20师攻占房山南部阵地后，已进至汀县以西地区；第6师越过沼泽地区后，已进到拒马河左岸的辛桥地区；第14师已迂回到涿县以南的松林店地区，堵住了守军的退路。在此情况下，中国守军开始后退。中国第2集团军立即命令第1军团在高碑店以北、第3军在大情河右岸阻敌前进。但是此时双方已陷入混战状态，卫立煌之第14集团军也由张坊南撤。
日华北方面军见战局对其有利，遂于18日21时令第1集团军突破保定附近阵地后，向正定迫击；令第2集团军第10师向德县进攻，其余部队向正定方向迫击，以切断平汉线上中国军队的退路；令第5师主力迅速经沫源进入保定方面，据此，日第1集团军于21日沿平汉路及其两侧向南推进。22日，日军开始向僧河阵地攻击，并于当日占领满城。同日，蒋介石曾电令刘峙固守保定、满城，但已无济干事。23日，日军开始向保定及其两侧地区发起攻击，未能得逞。
24日11时，日军第6师在炮兵火力支援下，对保定城垣再次发起攻击。
这时，刘峙曾向第52军转达蒋介石“务须固守保定，无令不准撤退”的指令 ＇《中国现代政治史资料汇编》第3辑，第29册。＇。但该军在强敌进击下，纷纷南撤。同日，保定一带守军已全部退至滹沱河南岸，至此，保定及其以北全陷敌手。于是，日华北方面军决定乘胜前进，将战线推进到石家庄——德县一线。
在日第1集团军南犯的同时，日第2集团军按照方面军关于“迅速进入沧县以南，之后以主力准备向保定南侧前进”的命令，＇〔日〕《中国享变陆军作战》（1），第332页。＇ 以第10师沿津浦路南下，迅速占领沧县；以第16、第109师继续沿子牙河向南攻击。中国第1集团军根据军委会“在沧县附近抵抗”的命令，加强了沧县地区的防御：令第59军之第38师、第40军之第39师、第49军（欠第109师）、第77军之第132师等部，防守刘各庄、姚官屯、李天木一线；令第49军之第109师为预备队，位于沧县以南地区。同时，以第67军在文安、大城一带侧击敌人，策应正面作战。9月21日，日军第10师开始攻击姚官屯，经四昼夜激战，突破了姚官屯防线。
24日，日军未遇到大的抵抗，便进入沧县城。23日，日军第16师亦攻陷大城，继续沿子牙河南进。日军第10师占领沧县后继续向南进攻。中国第1集团军以一部兵力在冯家口、泊头、东光等地逐次抵抗。25日，日军进占捷地镇东西之线。
27日，日军分三路从运河东西两侧及津浦路以东向德县方向进犯。
29日，中国守军第59、第49、第40军及第43师等部，向冯家口日军侧翼实施反击，未收大效。10月1日，各部即沿铁路东侧向南撤退。其左翼之第67军在刘各庄、沙河桥逐次抵抗后，即向献具转移，改归第1战区指挥。日军乃进逼献县、德县。
（二）石家庄、德县及其以南的战斗
保定、沧县失陷后，平汉和津浦路沿线的中国守军分别退至石家庄和德县地区。为便于指挥，国民政府军事委员会于9月下旬决定划平汉路北段为第1战区，以程潜代理第1战区司令长官，撤销石家庄行营，并调整兵力部署：以第20集团军总司令商震指挥第32军（欠第139师）及第17师、第47师和骑兵第10师，担负平路线以东、滹沱河南岸的防御；以第14集团军总司令卫立煌指挥第14军团（第27路军），第3、第14军，及第27、第85、第89、第177师等部，守卫平汉线上的正定、石家庄及其以西、滹沱河南岸之线；以第1军团（欠第27师）和第139师、第54师为预备队，集结于平汉路西之平山以南地区。同时决定，在津浦线北段设第6战区，以冯玉祥为司令长官，统辖第：集团军和第3集团军，继续抗敌。冯受命后，立即赶到德县以北之桑树园指挥作战。
9月28日，日第1集团军令各部向石家庄追击。此时适逢晋北告急，蒋介石令第14集团军车运忻口增援，余部留置平汉线逐次抵抗。
10月1日，日军第20、第6、第14师和新加入战斗的第108师，开始向石家庄方向进攻。未经大的战斗，先后占领了望都、定县、曲阳、新乐等县城。10月8日攻占正定、灵寿。10日，第14师强渡滹沱河，占领了石家庄。
11日，第20师占领井陉。在此期间，日军第2集团军以第10师沿津浦铁路向德县攻击前进，第16师和第109师沿于牙河西南方向推进，配合日第1集团军进攻石家庄。10月初，日军第16、第109师连占武强、深县、衡水、束鹿等地，逼近石家庄。
10月3日，日军第10师开始进攻德县。军委会速令第3集团军以两个师增援。但按时赶到德县的仅有第12军第81师之第495团。该团在日军猛烈攻击下，牺牲巨大，余部退至徒骇河右（南）岸，德县遂于10月5日陷入敌手。
日军占领石家庄和德县后，将第6、第16、第20、第109师等部、先后分别调往上海和娘子关方面作战。沿平汉路及其两侧向南追击的日军第14师等部，于10月中旬相继占领了元氏、赵县、赞皇、高邑、临城、柏乡、内丘、邢台（顺德）、任具、肥乡、邯郸与南和等县市，中国守军逐次撤退至漳河南岸。
19日，日军第14师又从武安以南强渡漳河，与守军关麟征之第52军激战两昼夜，双方伤亡重大，于丰�