对于日军的频繁调动和作战意图，保定行营已经察觉，特别是由于刘汝明未等晋军接防即放弃蔚县，日军国崎登旅团跟踪追击造成的危急形势，迫使刘峙不得不改变其本集团拟以第一线现有部队机动攻势吸引当面敌之兵力，井阻止其南进；以有力之一兵团迅即经房山西方山地北进，冲击其侧背，以策应友军之作战，相机占领平西一带山地，准备尔后进攻北平的作战方案，除指令曾万钟军暂缓北进，以该军唐淮源师三个团开赴涞源、紫荆关、城南司据守阵地防守外，对本集团军其他各部也准备重新调整部署。正在这时，日军谷寿夫师团主力于9月14日黄昏，在刘峙第二集团军和宋哲元第一集团军结合部固安县永定河西至龙王庙两处，在飞机、大炮的掩护下渡过永定河，击溃防守的万福麟军周福成、冯占海两师，夺取了河东的全部阵地。刘峙得报，急忙对其所指挥的部队作如下处置：
（一）本集团军为巩固右翼起见，拟以涿县、定兴附近控制之兵团进出大清河东岸，向固安方面迎击，压迫敌于永定河畔而歼灭之；
（二）第二十六路所属除巩固原阵线外，即以第三十一师之主力（一部固守涿县）会合第四十七师，由涿县东进于望海庄东西苇陀之线，越过大清河，迎击当面之敌；
（三）第三军（附骑兵第十四旅）除以一部防守紫荆关、涞源及守备高碑店外，其余一师迅即由定兴、高碑店东进，经东西双铺附近，渡过大清河，包围攻击西进敌人之左侧背；
（四）各部队之行动应迅速开始，不得延误。并在开始攻击后，须猛烈果敢行之，不得已时亦须固守大清河西岸；
（五）第四十七师、第三十一师主力统归第三军曾军长之指挥；
（六）第五十二军之任务仍旧；同时顾虑涞源片面之安全，令第三军寸性奇团到达涞源后，应照顾涞源以北中区张家辅各点。
曾万钟指挥各部东进后，遭到谷寿夫师团的迎击，经苦战伤亡二千五百余人，至16日始有一部冲出重围，向毛营以南地区转移。而檀自新骑兵师未与敌人接触即遭受日军飞机轰炸，渡过大清河逃回涿县。17日，刘峙即根据蒋介石的电话，命令裴昌会协同池峰城师之一团，速将南良沟之敌驱逐，并投入其预备队四个营在涿县、松林店间占领阵地；令檀自新派骑兵在涿县东北地区搜索，以其步兵协助池峰城师固守涿县城及附近阵地；令曾万钟迅派一部由大清河、平汉线中间地区向柳河营、蒋各庄方向前进，攻击当面之敌。但刘峙集团各部尚未部署完毕，日军川岸师团即于15日开始攻击房山北面孙连仲军据守的阵地，15日夺取了天子山。16日攻占了房山南面坚固阵地，17日进入涿县西面地区。土肥原师团亦于16日渡过拒马河，向松林店攻击前进，18日夺取了松林店。至此，刘峙集团各部除曾万钟军尚保持完整，冯安邦师损失较轻外，余均伤亡惨重，丧失战斗力。刘峙命令曾万钟率军由大清河右岸大小柴营经驸马庄、谢家营、衣锦村亘陈各庄之线建立防线；孙连仲收容残部，自高碑店北之陈各庄（不含）经岐沟、张翠台、安阳村、娄村镇之线占领坚固阵地，与右翼曾万钟军切实联络，以阻止敌人前进。但因通信网均被敌人破坏，联络异常困难，在溃兵潮水般冲击下，各部均站不住脚，遂纷纷向保定溃退。
孙连仲、曾万钟放弃琉璃河、高碑店两道国防线退下后，刘峙即积极部署保定会战。当时因沙河铁桥被炸毁，南京统帅部派来的孙蔚如、冯钦哉陕军和黄永安的炮兵旅等都增援不上来，孙连仲、曾万钟两军团又是新败之师，战斗力尚未恢复，刘峙手中只有关麟征军和赵寿山师，当即命令关麟征指挥张耀明、郑洞国、赵寿山三个师防守。右起白洋淀，沿漕河而西，经安新城、漕河头左翼，依托满城西北高地的正面防线，长约七十余公里，需九个师加二至三个预备师的兵力始能防守，这三个师岂能胜任。21日晨，日军发起进攻，在数十架飞机轮番轰炸的配合下，川岸、土肥原两师团猛烈攻击我军。当晚，郑洞国、张耀明两师据守的阵地即被日军突破。蒋介石接到保定告急的情报后，于22日晚即以电话对第二集团军各部作如下部署：
（一）第五十二军务固守保定、安新两城及其附近地区。第三军务固守满城及其西北一带高地；
（二）我前方各将领须戮力同心，协作抗战到底；
（三）第四十七师及豫省保安第三团统归关军长指挥；
（四）第三军应协力反攻当面之敌；
（五）第二十七师应位置于完县北方各高地掩护军主力左侧背，并策应满城方面之作战。关麟征接到电话后，对防守保定作如下部署：
（一）第二师、第四十七师之各一旅、第十七师补充团、第一六九师之第四团担任保定城防；
（二）第十七师主力在保定城以东沿阜河至仙人桥占领阵地；
（三）第四十七师之另一旅在保定城以西经颉家庄、王家、七里店、富昌村、小汲村之线占领阵地；
（四）第二十五师仅四营及第十七师之一团为军预备队。
23日10时许，日军谷寿夫师团突破漕河头西面大册河关军阵地，进展到保定外围，发起了攻城战斗，因我军炮兵及时赶到战场，被我军守城的军队打退。翌日拂晓，日军野炮第六旅团以排炮向城垣进行了一个多小时的轰击，将城墙打开了两个缺口。谷寿夫指挥其坂井德太郎旅团，于8时向城内进行突击。在此危急时刻，刘峙以（敬酉电）转达蒋介石训示，"郑、赵、裴各部须固守保定，无令不准撤退，务望排除万难，勉力撑持为要"。无奈保定自19日夜遭受轰炸后，敌机每日来往不绝，城内文、武、大、小机关及商民纷纷外逃，至20日河北省保安队和清苑警察均已撤走，对外电信系统全被炸毁，整个保定城已陷入无政府状态。守城部队无法据守，遂于24日晚纷纷撤离南退。
刘峙撤出保定后，为了保卫石家庄，除派员传达蒋介石命令，曾万钟、关麟征、冯安邦等部转移曲阳、行唐、平山；孙连仲部转移到栾城美化镇；檀自新、张占魁骑兵转移到蠡县沿潴龙河与第一集团军万福麟军联系，警戒集团军的右侧翼；还部署冯钦哉第二十七路军武士敏师在定县以北阻击敌人前进。但陕军装备极差，甫与谷寿夫师团接触，即撤离铁路退入太行山。日军如入无人之境，两天即到达新乐。刘峙只好亲自督率鲍刚旅和河南保安第二支队及工兵团破坏沿途的铁路和桥梁，于26日晚逃回石家庄。
香月清司指挥其第一军攻占保定后，即于24日接到寿内寺一方面军司令官的"应继续追击，进入正定北面地区准备攻击"的命令。香月除给谷寿夫师团增加土肥原师团的步兵一个大队，川岸师团的步兵两个大队，野炮兵两个中队，命令谷寿夫率领立刻出发沿铁路追击我国军队外，其他各师团则在保定附近集结整顿，并将新从日本国内开到的下元熊弥师团配置在涿县、徐水间，担任军的后方警备，准备随后参加石家庄会战。谷寿夫追击队于25日从保定出动，以铁甲车队为前导，26日进占新乐。27日，谷寿夫率师团主力进入新乐，当即接到军的命令，修补被破坏的铁路和沙河大桥，将部队展开，确保附近地区安全，以掩护军的主力向石家庄推进。
保定失陷后，为加强直接指挥各军作战，蒋介石即派其参谋总长程潜来石家庄代理第一战区司令长官。9月25日程在获鹿其长官部指挥所召集前方将领徐永昌、刘峙、卫立煌、孙连仲、商震、林蔚等开军事会议。会议认为娘子关为山西门户，石家庄为华北交通枢纽。保卫华北必须占有太行山川形势，如娘子关失守，太原必定为日军占据，日军控制太行山脉居高临下，大河以北国土势难保全。石家庄为娘子关的外廓，既有正太铁路通山西腹地，又有平汉铁路和公路网沟通冀、鲁、豫三省，便利抗日军队的调动和物资的运输。同时该城西依太行之险，北阻滹沱河地障，向为兵家用武之地。根据南京统帅部保卫石家庄的意图，程潜于27日对平汉线军事做如下部署：
（一）第十四集团军总司令卫立煌守备平汉线及其以西、滹沱河以南之线；
（二）第二十集团军总司令商震担任平汉线以东、滹沱河南岸阵地的守卫；
（三）孙连仲第二十六路军（欠二十七师）、第一三九师、第五十四师撤退至平山以南为预备队。
十月初，日军东京大本营决定对山西发动大规模进攻，2日华北方面军的板垣第五师团三浦敏事旅团攻陷灵邱；东条指挥的关东军三个独立混成旅团，于9月下旬连续攻取大同、雁门之后，3日起又进攻忻口。南京最高统帅部判明日军意图后，遂即变更平汉线军事部署，除命商震率其第二十集团军三个步兵师另步、骑各一个旅，接替平汉正面，西接孙连仲军阵地；东接由永定河、子牙河撤退下来的东北军万福麟、吴克仁两军六十师，西起藁城经深泽、安平、饶阳迄献县沿滹沱河南岸建立的一条防线，迟滞敌人南下，保卫石家庄。
日华北方面军司令官寺内寿一，为迅速占领石家庄，以配合日军夺取太原的会战，于10月6日下达了如下作战命令：
（一）敌军主力现在正定附近苟延残喘，第二军的一部昨（5）日午后进入武强、衡水及新河中间附近的滏阳河左岸地区，估计当面之敌正在向西面退却中；
（二）方面军准备在河北平原一击覆灭敌战斗力；
（三）第五师团应向太原前进，攻占太原；
（四）第一军应在适当时机开始进攻，特别期待不出所料，捕捉退避的敌人；攻击重点指向石家庄附近，一突破敌人战线即向顺德附近急追敌人。不失时机地再以一部进入井陉以西的要地，切断敌在山西方面的交通，尔后策应第五师团；
（五）第二军应从滏阳河左岸地区攻击敌主力的背后，策应第一军的攻击及追击；
（六）临时航空兵团随着第一军开始进攻，以主力协同第一军，以一部协同第二军及第五师团的行动，特别在适当时机应努力阻止敌主力退避，要迅速消灭当面之敌航空兵力。
寺内寿一对石家庄的攻击即采取在河北平原消灭我军战斗力的方针。第二军司令官西尾寿造遂于9月28日向其中岛和山冈两师团下达进入滏阳河左岸，向石家庄突进的命令。9月中旬继矶谷师团中井支队于姚马渡、南北赵扶击破吴克仁军后，复命中岛师团溯江南下，吴克仁率部在留各庄一线激战，阻止敌人前进。旋奉命南撤，固守献县，配合左翼之万福麟军、右翼冯治安军阻击敌军南下。但吴军到献县始终未联系上万福麟、冯治安两军。万福麟系奉军老牌军阀，腐朽昏庸，贪生怕死。张学良本已派黄显声来保定接管其第五十三军，因西安事变后张学良被软禁未实现。万福麟对抗战是消极的，9月15日该军在永定河被击破后，万即率军日夜南逃，不但自己不组织防线阻击敌人，还派参议李树滋来留各庄与吴克仁联络，请吴保存实力，率部随他撤往太行山。因万不以国家民族利益为重，遂未在饶阳、安平建立防线。而冯治安更因采取拒冯（玉祥）、架空宋（哲元）、排张（自忠）方针，妄图攫二十九军为己有，故对抗战采取敷衍态度，不派兵防守沧石路国防线。吴克仁军势单力薄，被中岛师团在二十余架飞机的配合下围攻两日，9月29日献县最终失守。
西尾既击破吴克仁军，遂以献县为集结兵力的基地，新由国内开到的山冈厚重师团，于29日由沧州出动，沿沧石路基西进，10月2日攻抵武强。然后西尾指挥两师团分别向石家庄东南方向推进。山冈师团于10月5日沿沧石路基前进，突破武强及深县附近我国守军阵地，10日夺取束鹿。中岛师团则溯滏阳河乘机帆船西进，于2日开始行动，8日进抵百石口，因河道不畅，同日登陆，师团主力沿山冈师团行军路线经束鹿前进，12日抵宁晋附近，其一部溯滏阳河南下，13日占领隆平。
香月清司指挥日军谷寿夫、土肥原、川岸文三郎、下元熊弥四个师团零一个野战炮兵旅团，在飞机、坦克的配合下于10月6日开始沿曲阳-定县一线向南推进。7日川岸师团在灵寿地区击破陕西各军的抵抗。同日土肥原师团进抵正定西北的西房头附近。谷寿夫师团先遣队亦进抵正定东北的二十里铺，摆开围攻正定城的阵势。
当时南京最高统帅部通盘考虑华北战局，决定以勇敢的鲍刚率其独立第四十六旅防守正定城垣。7日拂晓，香月指挥谷寿夫师团在飞机和重炮旅几十门野山炮的轰击下，经一昼夜激战，鲍旅伤亡殆尽，正定终于失守。南京最高统帅部原曾计划防守石家庄，因吴克仁军丢失献县后不能阻止西尾指挥的第二军西进，而万福麟军又失去联络，不能在石家庄右侧翼建立防线，而晋北战局又吃紧，为巩固太原门户，遂决定放弃石家庄，调平汉线左翼之孙连仲、冯钦哉、曾万钟等军及赵寿山师迅速转移到娘子关既设阵地，仅留商震率其第二十集团军布防平汉线正面做持久抵抗，以支援第二战区保卫太原的会战。
10月10日，日军土肥原师团进入石家庄。接着香月命令各部分头转入追击我国撤退的军队。川岸师团11日到达井陉，转入太原作战；谷寿夫师团沿铁路东侧南下，12日在赵县追上南逃的万福麟军，予以打击；土肥原师团沿铁路西侧南下，12日与商震部在元氏北展开激烈战斗，至13日击败商军继续南下，15日占领邢台。谷寿夫师团14日迫抵内邱。下元师团主力，亦于15日抵达任县附近。为掩护正面各军后撤，商震命令吴克仁率部固守临洺关，掩护平汉线各军撤退，吴率部与沿铁路线穷追不舍的谷寿夫师团（附轻装甲车两中队、战车一大队及野战重炮旅团）激战两天，18日我平汉沿线各军安全退至漳河南岸。20日起，谷寿夫师团居中，土肥原师团任右翼，中岛今朝吾师团任左翼，分头向漳河南岸进犯，幸有在汤阴休整的汤恩伯、关麟征两军协助商震军据河防守，暂时稳定了豫北战局。11月初，娘子关失守，山西战局吃紧，汤军团奉命入晋驰援，商震部兵力单薄，安阳遂于5日失陷。
是时，日军在淞沪战场呈现胶着状态，为击破我国淞沪守军，日军大本营由华北方面军调走谷寿夫、中岛今朝吾两个甲种师团及国崎登第九旅团，平汉线仅留下土肥原师团和下元熊弥两个师团，兵力显著减弱。宋哲元为收回自己的部队，于10月下旬向南京统帅部销假，自告奋勇愿率其第一集团军三个军另三个师八万之众反攻石家庄。当时，娘子关、忻口战场敌我两军正在激烈搏斗，南京统帅部对宋予以嘉勉。宋遂于10月31日，在濮阳总部对所属作如下部署：
（一）第一线兵团为六十八军、骑兵第九师、骑兵第十三旅、保安队等由内黄、楚旺、肥乡方面；
（二）第二线兵团为五十九军及七十七军，由南乐、大名、广平方面。