“七·七”事变，蒋介石对日本人的伎俩看得还比较透，因而在军事上作了一些紧急调配。早在7月9日，便密令孙连仲将军指挥的第26路军两个师开往保定集中，继而再进至琉璃河；第40军庞炳勋部1师开赴石家庄，进驻沧县，归宋哲元节制；又调第53军万福麟部3个师附第91师前往保定集中，向固安、永清、雄县布防，第84师高桂滋部调至大同、怀来。蒋介石的部署欲使晋察绥与中原连成首尾相应的防御整体。为协同指挥，在石家庄设立行营，任徐永昌为主任、林蔚为参谋长，并与山西阎锡山、山东的韩复榘相联系，要求他们相机配合。
战略调动看上去有板有眼，左右逢源，但蒋介石多年来对军队的统治和其政策的跳跃性突变还是使他的计划最终落了空。一方面，蒋介石身在庐山，却不知南京政府内主战、主和者争吵不休、莫衷一是，国民政府军事机构所采取的军事战略指导是应战“折冲”，这就使增援平津的部队都停留在保定以南的冀中、冀南地区，仿佛在坐待日军选择进攻平津的日期。明着说有这种原因，未便明说的还有，国民党中央军和地方派之间的隔阂可谓根深蒂固，非嫡系部队生伯被借机消灭，各军互相猜忌，观望不动，丧失了良机。对于中央军北上，连蒋介石的嫡系将领都在心里直犯嘀咕：“未知中央此次对日作战，对各个军，是否整个或分割加入战斗序列，抑将乘机分别他调？”宋哲元对此更是心存戒虑，对归他节制的孙连仲、庞炳勋两部，只允许到达保定，再向北就说死也不让进，宋哲元大难临头，仍在惦记着自己在华北的私利，他这一举，使增援部队与29军相距甚远，根本无法呼应和协调作战。
而日军以谈判为名，利用宋哲元的一度动摇以及和蒋介石的矛盾，使缓兵之计得逞。到7月16R，日军已完成了包围平津的战略部署。即使此时，宋哲元仍处于战和不定的摇摆状态中。7月18日，宋哲元偕张自忠第一次拜访香月，回来后乐观地对手下人说：“和香月见面谈得很好，和平解决已无问题。”宋哲元原想摸香月的底，但却被香月给愚弄了。香月见对平律的攻击准备尚未完成，因而对宋哲元客气了几句。宋哲元一高兴，不但认为和平解决有望，而且透出了自己的底牌。这时，日军入关部队已达5个师团之众，兵力超过10万，双方军事力量对比发生了逆转。18日，日军在丰台设立了最高司令部，由香月清司指挥。当他们一切准备就绪后，便大举进攻宛平，炮轰长辛店，狂炸廊坊。19日，香月发表所谓“声明”，称20日午后日军将采取自由行动。
日军大兵压境，战火迫在眼前，但宋哲元仍指望通过自己单方面的和解诚意来感化日本人，19日，他不但发表了带有乞求意味的求和声明，甚至下令北平城防部队拆除巷战防御工事。一时，北平内外出现了奇异的一幕：日军摒壕架炮，秣马厉兵；29路军拆垒填壕，清除路障，都忙得不亦乐乎。
宋哲元为自己的私心所算，也为奸诈的日军所算。可悲的中国高级将领，可叹的无辜兵士和平津百姓，未战已先立于失败境地。
20日，10万日军分作数个集团，已把平、津地区铁桶般紧紧围住。北平以北，是由公主岭、古北口出发经热河省而来的剽悍的关东军酒井镐次第1独立混成旅团和铃木重康的独立混成第11旅团；而由朝鲜远道奔来的川岸文三郎第20师团，由山海关入关后，直扑北平南侧，窥视天津；天津驻屯军河边旅团在援军到达后也离开驻地，开入北平以东的通县。此外，由日本国内调入中国战场的3个师团也先后从朝鲜入关，会合海军，直扑天津、塘沽。
与四处分散的中国军队相比，日军无论在战略态势、军队数量、武器装备上都处于绝对优势，中国军队的战败至此已成事实。更令人遗憾的是，中国军队不仅必须面临失败，还必须面对无畏付出而让人难以接受的千百万人的鲜血和生命。
25日夜，战火首先在廊坊点燃。守军38师刘振三的113旅面对日本朝鲜驻屯军第20师团的挑战，奋起自卫。26日晨。日军数千援兵开到，在飞机、战车的支援下大举反扑，刘旅伤亡惨重，痛失廊坊要地。刘振三旅爱国官兵虽然付出了过多的热血和生命，但其悲壮之举终于撼醒了宋哲元，撼醒了这位上千名痛洒热血的官兵的父母官。北平，宋哲元得报后，对外交特派员叹道：“战争恐怕难免啦！”
占领廊仿后，日军大步追击，又乘胜进占北仓、杨村、落堕等车站，切断了天津与北平之间的交通。日军此举，显然是要拿下平津，讫掉29军，因而不会止于廊坊的收获。但令宋哲无意外的是，香月清司中将竟把矛头直接指向了北平。26日午后，日军河边旅团的一个大队500多人乘火车到达丰台站后，马不停蹄地换乘26辆卡车直冲广安门，企、图乘乱混进北平。当时守卫广安门的第25独立旅69团刘汝珍部，上前拦截制止，日军开枪射击，中国军队见状不妙，顶着弹雨强行关闭城门，将日军分别包围在城内外。敌军顿时陷入一片混乱之中，损失惨重，指挥官樱井德太郎负伤而逃。当日，香月清司向宋哲元发出最后通牒，限29军千27日正午以前将卢沟桥和八宝山附近第37师撤至长辛店，并把北平城内的第37师所部全部撒出城外，然后陆续退往保定，“如果不实行，则认为贵军未具诚意，而不得不采取独自行动以谋应付。”香月此时是欺负宋哲元过了头，仍以为宋哲元一吓唬就会往回缩，因而提出了这个荒唐可笑的要求。当时，按照日军要求，简直是要中国军队拱手让出北平。宋哲元当然不会再吃这一套。
香月左等右等不见中国军答复，料知讹诈再难奏效，遂不待中方答复，便于7月27日凌晨3时向通县发动总攻。双方激战至午，中国军队力战不支，开始突围撤退。同日晨5时，日军又何团河围攻，并出动飞机18架配合作战，中国守军伤亡逾千人。蒋介石在南京得知华北大规模的战事后，当日电令宋部，“应固守北平、保定，宛平各城为基础，切勿使之疏失，保定防务应有确实部队负责固守。”宋哲元当日召集军政要员会议，会后通电全国，决心誓死守土。同时又通令29军各部奋勇抵抗，指示北上的第40军向静海、独流镇集结，策应天津，第26路军进驻长辛店、良乡，以支援北平。
宋哲元丧失了最宝贵的时间，日军绝不允许第29军有喘息的机会。28日黎明，日军对北平近郊发动总攻，以第20师团为主力，配以重炮40门，向南苑大举进犯，另以混成第4旅团所部切断了南苑到北平间的公路联系，其独立混成第1、第11旅团，从北平北侧攻击北苑和西苑。日军出动飞机40架对中国守军的工事轮番轰炸，守军仓促修筑的工事、掩体很快便被火海烟尘吞没。战斗进行得异常紧张、惨烈。
29军在敌重兵围攻下仓促应战，，不久便显露出败落迹象。全军很快被日军切成数段，分割包围。加之防御工事简陋。尤其是南苑方面，仅以营防周围障碍物作为掩体，在敌人优势炮人和飞机的狂轰滥炸之下，守军官兵们被炸得血肉横飞，惨不忍睹。情况极其险恶。不久，噩耗接踵而来，南苑失守，29军副军长佟麟阁壮烈殉国，第132师师长赵登禹在撤向北平时，受到日军袭击，中弹身亡。尤其令人痛心的是，南苑军训团当时有很多大学生正在受训，他们背负着民族的重任，作为国家的栋梁，却过早地倒在了战场上。从这以后，国民政府改变了大学生前方受训的策略。抗战毕竟是长久的，民族的精英绝不该过早地消逝在战场上。
昌平、高丽营的日军在飞机的配合支援下，分向沙河、小汤山、北苑一带猛扑。29军所部在战事失利的情况下仍浴血奋战，节节抵抗，临近傍晚向北城圈退却。为扭转被动局面，武清方面的中国军队进行反击，向廊坊展开攻势，切断敌人后路，威胁其侧背，但很快被敌军回援部队击退，于当晚向安次撤退，同时丰台亦得而复失。入夜以后，战况更加不利，北平南、北郊的日军俱已迫近城垣。宋哲元见颓势无法挽回，乃命令北平郊外作战部队向永定河右岸退却。
28日下午3时，宋哲元在北平主持召开了重要军事会议。短短几天时间，29军全线战败不说，高级将领中就有两人殉国，这使得会场气氛有些压抑和沮丧。不管怎么说，29军是平津地区唯一的一支中国军队，但种种原因却使他们在短短的几天里就败下阵来，作为军人，他们心中有愧。想想城里城外前奔后跑，为29军将士鼓励打气、送吃送喝的北平市民，听着日益逼近的隆隆的枪炮声，赴会诸将个个鼻孔发酸，欲哭无泪。
宋哲元心情更是沉重。和谈解决的美梦被击碎了，华北已无他立足之地。如果他早做准备，即使最终仍守不住平津，但只要在战场上建功，他就是国民心自中的英雄，蒋介石也绝不敢在全国人民的拥戴声中处理他，可今日倒好，战和不定已先败三分，战场上痛吃败仗更令他无颜面对中国父老。此时他将退向何方？天下之大哪有他立足存身之处？想想平津混乱的战局和散乱着溃向保定的29军，他一时痛悔交加，良久无语。
宋哲元的得力师长张自忠见状，自然明白老军长心中的苦涩。他略一沉思开了口：“委员长，事已至此还是急谋良策为妥，退往保定的部队不能无人收拢啊。”
“见宋哲元抬起头，他进一步补充道：“平津残局自要有人收拾，只要委员长动一动，我想与日本人的交涉多少还是有些余地的。”
张自忠在替宋哲元找寻后路。宋哲元进退维谷之际，乐得有人出来替他挡一下。会议当场决定，由宋哲元率29军驻留人员撤往保定，善后事由张自忠全权处理。当晚11时，宋哲元偕北平市市长秦德纯等离平赴保定。临行前，宋哲元发布命令，任命第38师师长张自忠代理冀察政务委员会委员长兼北平市市长之职，收拾残局。
与北平相比，天津的战火丝毫不弱。所不同的是，天津守军毅然行动，使日本人尝到些中国军的厉害。当北平激战之际，曾传出中国军队收复廊坊、丰台的消息，因而军心、士气一时大振。驻守天津的第29军38师一部，在副师长李文田的率领下借同天津保安警察部队，于29日向日本驻津各机关及租界发动进攻。李文田与副指挥刘家鸾、天津市府秘书长马彦仲联名通电：“誓与津市共存亡，喋血抗战，义无反顾。”中国军队一度攻占了北仓飞机场及日军驻守的车站，逼近日租界中的海光寺营房，杀伤日军上百。香月见势不妙，抽出部分军队回援天津，敌援军到达后，在战车、飞机的掩护下向中国军队反扑，火车站、南开大学校舍等处大半毁于战火。中国军队在敌我力量悬殊的情况下，血战一昼夜，30日力战不支，被迫放弃天津，向马厂撤退。
7月30日，北平的枪炮声渐渐沉寂下来，北方的文化古城陷落日军之手。城区内，惊惶的市民看着代理委员长张自忠贴出的布告，称：今日29军撤出北平，乃中日战局发展所致。退出北平后的29军向保定一带集中兵力，以继续抵抗。劝告民众各安生业，不要惊惶自扰。
一周后，日军正式开入北平。为炫耀武力，日军大事庆典，举行了隆重的“入城式”。北平的心脏前门，城楼上飘荡着许多气球悬挂的宣传标语：
“庆祝北平占领！”
“庆祝皇军胜利！”
同日，日军中国驻屯军司令官香月清司中将针锋相对，也贴出了“安民布告”。
从永定门经前门至天安门广场的街道上，日军庞大的行军纵队迈着整齐的步伐前进着。军靴的“咔咔”声是那么地沉重，像是从每个北平人、每个中国人的心上踏过。闪亮的刺刀上，“旭日东升”的膏药旗让几百年没经历过战争的北平人胆战心寒。
北平，中国北方重镇，中华民族的故都，终于在1937年夏季的沉沉死气中，被日军占领了！而此时北平四郊数千名中国军阵亡官兵的尸首尚未及掩埋。
7月31日，天津沦陷，华北战局的重心又南移保定。平津之战落幕了，但全面抗战却悄然揭幕。