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，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。第1集团军为右地区队，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；第二道设在易县、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。
9月14日，日军第1军团从北平附近出发，分三路向涿县、保定地区大举进犯。其第20师团由正面向琉璃河、涿县方向进攻；第14师团于永清、第6师团于固安方面渡过永定河，分别向涿县南面和定兴方向迂回。中国守军第1军团、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，已进至涿县以西地区；第6师团越过沼泽地区后，已进到拒马河左岸的辛桥地区；第14师团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军在大清河右岸阻敌前进。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军突破保定附近阵地后，向正定追击；令第2军第10师团向德县进攻，其余部队向正定方向追击，以切断平汉线上中国军队的退路；令第5师团主力迅速经涞源进入保定方面。日第1军于21日沿平汉路及其两侧向南推进。22日，日军开始向漕河阵地攻击，并于当日占领满城。同日，蒋介石曾电令刘峙固守保定、满城，但已无济于事。23日，日军开始向保定及其两侧地区发起攻击，但未能得逞。24日11时，日军第6师团在炮兵火力支援下，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。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军南犯的同时，日第2军按照方面军“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，以第10师团沿津浦路南下，迅速占领沧县；以第16、第109师团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师团开始攻击姚官屯，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师团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，但未收大效。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，即向献县转移，改归第1战区指挥。日军乃进逼献县、德县。
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，担负平汉线以东、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1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师团和新加入战斗的第108师团，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师团强渡滹沱河，占领了石家庄。11日，第20师团占领井陉。在此期间，日军第2军以第10师团沿津浦铁路向德县攻击前进，第16师团和第109师团沿子牙河西南方向推进，配合日第1军进攻石家庄。10月初，日军第16、第109师团连占武强、深县、衡水、束鹿等地，逼近石家庄。10月3日，日军第10师团开始进攻德县。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，因上海和山西的作战吃紧，遂将第6、第16、第20、第109师团等部，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师团等部，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）、任县、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师团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，于丰乐、安阳间形成对峙。10月下旬，军委会决定第1集团军改归第1战区指挥，津浦路之作战由第3集团军负责，改属第5战区，第6战区撤销。同时令第1集团军以一部于平汉、津浦之间钳制日军，以主力协同友军阻击南下之敌；令第3集团军与前出石家庄方面的第1集团军相呼应，攻击敌之侧背，以解娘子关之危。据此，第1战区作了相应的部署。正当各部准备行动之际，第20军团奉命经林县增援太原。而日军则乘势于11月4日抢先向驻守安阳的第20集团军进攻，5日占领安阳，第32军退守宝莲寺东西之线。中国第1集团军仍按预定计划于6日开始攻击，连克沙河、任丘，逼近邢台，切断了平汉路。日军立即集中第14、第108师团等部夹攻向邢台逼近的中国军队，并由邯郸、磁县向大名反击。11日，日军占领大名，第1集团军退至卫河南岸，与日军隔河对峙。在津浦路的第3集团军，由于韩复榘意存观望，前进迟缓，日军先于11月5日开始分数路向第3集团军进攻：一路日军沿铁路及其两侧南进，连陷高塘、禹城、临邑，向徒骇河进迫；一路由盐山南进，相继占领乐陵、阳信、惠民、济阳。第3集团军退守黄河右（南）岸，与日军隔河对峙。12月23日，日军一部由青城附近渡过黄河，攻陷周村，切断了胶济路。24日、26日，日军第10师团由济阳和齐河相继南渡，27日占领济南，而后继续前进。
日华北方面军，虽然攻占了平汉和津浦铁路沿线上一些重要城镇，但却无法在河北的作战行动中照原计划围歼中国的主力部队，于是关东军察哈尔派遣兵团在山西北方的右翼，全力抢攻山西北部平绥线的重镇大同，以进逼山西内长城防线。其右翼混成第2、第15旅团等部在伪蒙骑兵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，日军不战而占大同。而后，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。
平绥路沿线作战自8月11日至10月16日，历时两月有余。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。尤其是山西战略要地大同的沦陷，影响更大。防守大同的中国军队第61军，竟然没有及时进入阵地，被日军快速进军的察哈尔派遣兵团打得七零八落，阵地全线溃散，大同沦陷。阎锡山因而无法有效掌控内长城以北防线的状况，气得枪毙了61军军长李服膺，中国军队只有退守内长城防线。
关东军察哈尔派遣兵团轻取大同，这引起在大同东南方作战的日军第5师团跃跃欲试地向山西深入。因为第5师团在南口作战中，就比不过该兵团的表现，如今又怎能眼看着他们手到擒来地攻占大同？事实上，日本关东军与华北方面军一直在为内长城防线进行“地盘”的争执，关东军总是想控制察哈尔南部与山西北部，这令华北方面军极其不满。
第5师团长板垣征四郎本来就是个野心极强的军人，他决意深入山西以抢功，于是日本第5师团向灵邱、平型关以及忻口一线进兵，与察哈尔派遣兵团由大同南下，对太原形成钳形攻势。
这时华东作战已经转为新的主力决战地区，日军在上海已经感到兵力分配不足的问题了，因此决定从华北方面军抽调两个半师团（第6师团与第16师团，以及国崎支队）投入上海作战，这样一来华北方面军就根本不可能在华北发动重大攻势，只有将剩下的部队改投入山西作战，于是整个华北作战的重心，就鬼使神差地转向山西。
蒋介石将固守山西当成华北作战的战略重心，调派大量的部队支持第2战区的阎锡山。山西是阎锡山经营长达20年之久的“独立王国”，当然不容日军轻易得逞。大同既失，中国军队决心全力在内长城防线进行固守决战。平型关是这个战线的一个防御重点，刚好日军第5师团由灵邱向平型关进军，于是阎锡山与傅作义、杨爱源商议，指挥包括中央军、晋军以及八路军，在平型关一带进行口袋战术布阵，准备包围与反击日军长驱直入的攻势，以巩固太原的外围防线。
板垣征四郎获知中国部队正在平型关一带集结，阻止他前进，便于9月21日令其手下精锐部队——第21旅团长三浦敏事率第42联队的第2大队、在灵丘的两个大队和一个野炮大队，向西进攻平型关，以控制通向太原的通道；又令在浑源的两个步兵大队策应三浦敏事，夹攻平型关。
9月22日，三浦敏事率第21旅团主力从灵丘出发，进犯平型关。当天傍晚，日军步兵在炮兵掩护下向第33军73师平型关阵地发动猛烈攻击。第6集团军副总司令孙楚才为平型关战役的总指挥官，他认为，这不是板垣师团的主力部队，不过是其派出的牵制兵力，未予充分重视。9月23日，日军发动更大规模的进攻，孙楚才方命高桂滋率84师出击。在阴雨天中，高桂滋指挥所部官兵与日军展开激战，双方激烈争夺1886高地。阎锡山又命傅作义率领预备队增援，战斗更为紧张。
第5师团是日军历史最久、装备最精良的师团，板垣又反对只限于平津的作战方案，力主进兵山西，在平型关受阻使他觉得很伤面子，就增兵几千人猛攻平型关正面。傅作义亲自率领第6集团军奋勇抵抗，双方伤亡惨重，日军正面攻击平型关受挫。
板垣征四郎急欲攻下雁门关，进逼太原，便命令三浦敏事绕路前进，却不知不觉进入八路军115师的包围圈。原来，八路军主力遵照毛泽东和党中央指示到达晋北前线后，为配合国民党军队固守平型关、雁门关和长城各隘口，贺龙率120师驰援雁门关，林彪率115师向平型关疾进，准备打个漂亮仗。按照第2战区司令长官阎锡山的作战计划，115师9月23日到达平型关东南的上寨，准备与国民党军队配合作战。遵照第18集团军（八路军）总司令朱德、副总司令彭德怀的命令，115师以一个团和骑兵营向灵丘、涞源、广灵之间前进，牵制日军主力。9月24日，以3个团冒雨埋伏在平型关东北的公路两侧。
9月25日凌晨，板垣师团第21旅团一部进入八路军的伏击圈。随着隆隆的马达声，百余辆汽车满载日军和军用物资在公路的狭窄处出现，汽车后面跟着200多辆大车和骡马牵引的炮车，最后面有一大队骑兵压阵。日军骄横狂妄，连尖兵也不派，如入无人之境。
只听一声发令枪响，八路军埋伏部队突然发起猛攻，像猛虎般冲下公路，机枪、步枪、手榴弹、迫击炮一齐响了起来。日军一下子被打惊了，双方展开激烈肉搏。经过一天激战，115师歼灭日军1000多人，击毁汽车80余辆，缴获大批枪支弹药和军用物资，光军大衣就够115师每人一件。
平型关战斗打痛了板垣征四郎，他急忙在蔚县第5师团司令部召开作战会议研究对策。最后决定改变作战计划，选定中国方面左翼地区的茹越口为新的攻击目标，那里是中央军刘茂恩的第15军与晋军第34军的结合部。
平型关战斗是抗日战争全面爆发以来，中国军队取得的第一次大胜利。它打破了日本“皇军不可战胜”的神话，打击了日军的嚣张气焰，鼓舞了全国人民抗战必胜的信心。
9月28日，日军攻下茹越口，29日夜进占繁峙，平型关左侧受到威胁。阎锡山只得下令内长城线上的中国守军于10月1日全线撤退，平型关战役即告结束。
10月1日，日军突破茹越口、平型关一带之内长城防线，侵占大营镇、繁峙等地之后，日军中央部令华北方面军“以一部兵力在山西省北部作战占领太原”；令关东军“以一部入列华北方面军指挥下”，并应“为以上作战提供方便”。华北方面军于当日夜半即命令关东军位于内长城线以南的各部队，归第5师团长板垣指挥；同时命令第5师团以主力在代县集结，准备南下攻占太原。这时板垣又把进攻的目标指向了太原的北部门户——忻口。