"卢沟桥事变"爆发后，毛泽东主持中共中央政治局会议，认为这是日军大规模向我国进攻的开始，即于8日通电全国拥护二十九军抗战，主张发动全民族立即对日抗战。9日向各地中共党组织发出指示，要求组织各种抗日团体和义勇军直接对日作战。事变发生后，蒋介石即在庐山召开一系列会议，9日，周恩来、秦邦宪、叶剑英等见蒋介石，提出组织国防政府，结成全民族抗日统一战线，以发动对日的全民抗战的主张。7月11日下午9时，何应钦主持军委会议，讨论应付事变措施，除指示准备动员的部队待命外，并指示后勤部门准备二十个师可供三个月消耗的弹药、粮食及二百架飞机用的汽油，运赴黄河北屯储。12日下午9时，又召开军委会议，确定派军政部次长熊斌北上，传达蒋介石对这次事变的宗旨：即"不挑战，必抗战"之旨。如宋哲元为环境关系，认为需要忍耐以求和平时，只可在不丧失领土原则之下与日方谈判，以求援兵，但仍须做全盘之准备。卢沟桥、宛平城不可放弃。同时，蒋介石在庐山又连续召集汪精卫、程潜、陈诚等军政首脑开会，除决定和、战两手准备，万不得已不惜一战的决策外，立即命令孙连仲、庞炳勋两部沿平汉、津浦两路北上，商震、关麟征、卫立煌等军集结在以郑州为中心的陇海、平汉路沿线待命。并于13日军事会议上确定了以蒋介石为大元帅的战时体制，任命程潜为参谋总长，白崇禧为副参谋总长的最高统帅部，指令主管作战的参谋本部作战部长刘斐和副部长林蔚，编制抗日战争爆发后各个战区所属集团军、军团、军、师及独立旅的战斗序列。
事变爆发后，北平市长秦德纯曾于7月11日向外交部报告他与宛平专员王冷斋以地方负责官员身份与日本驻北平特务机关长松井久太郎开始谈判的情况。外交部除同意冀察地方当局与日本驻军交涉外，特派外交部特派员杨开甲、孙丹林前来北平协助。同时外交部作了如下声明：此次议定的或将来待成立的任何谅解或协定，须经中国中央政府核准方为有效。
蒋介石对此次事变的认识还是比较清醒的。7月13日他致宋哲元的电报曾有"卢案必不能和平解决，无论我方允许其任何条件，而对方的目的，则以冀察为不驻兵区域与区内组织用人皆须得其同意，造成第二次冀东，若不做到此步，彼必得寸进尺，决无已时。中正已决心运用全力抗战，宁为玉碎，不为瓦全，以保我国家和个人之人格"①之句。
国民党重要将领之间在应否坚决抗战问题上，意见是有分歧的。何应钦、徐永昌支持冀察当局与日本妥协；程潜、唐生智等则坚决主张抗战。7月14日何应钦在军委会议上说："地方已与日方签订和平条件，中央仍在调兵遣将准备抗战，甚不协调。"军委会办公厅主任徐永昌发言认为：目前准备未周，开战难操胜券，最好由中央给宋明轩（即宋哲元）以妥协标准，使其便于商谈。训练总监唐生智认为：现宋明轩已在中央许可范围之外从事妥协运动，如中央再给以和平妥协之意图，其前途则冀察必非我所有。参谋总长程潜发言说："现在我们希望缓兵以完成我方准备，即对长江确实控制安全，无论实行持久战或歼灭战乃有把握，但目下之准备与军队之动员仍不可忽。"
当时内战刚刚停止，对日作战确实未准备好，在此情况下当然会有不少将领希望冀察政权和日本驻屯军谈判以取得暂时妥协。但是西安事变后全国人民抗日情绪空前高涨，谁要和日本签丧权辱国条约，必为全国人民所共弃，为此蒋介石于19日在报刊公开发表谈话说："最后关头一到，我们只有牺牲到底，抗战到底，便只有拼全民族的生命以求国家生存。"并提出了四项与日本和平解决条件：
（一）保持领土和主权的完整；
（二）中央政府对冀察政权的统治权不可侵犯；
（三）确保中央政府对地方官吏的人事权；
（四）拒绝对二十九军现在驻扎地区的干涉。
19日下午2时，外交部长王宠惠通过其代表董道宁对日本政府驻南京代理大使日高信六郎也提出了如下声明："中国政府在事件不扩大方针下，力求和平解决。中国方面的军事行动，不过是对日军增兵平津一带的当然自卫准备。中国政府希望事件不扩大，故对日本政府提出以下两项：（一）在确定的日期同时停止军事行动，撤回武装部队；（二）对此次事件应以诚意按外交手段进行协商。再者因有地方性质，故希望在地方谋求解决。但任何现地协定，须经中央政府承认。此外，中国政府为解决纠纷，愿按国际公法或有关条约的一切解决办法，接受调停或仲裁。"
从蒋介石19日庐山发表的"最后关头谈话"和董道宁代表王宠惠致日本政府驻南京代表的声明看，日本军国主义者企图以武力威胁与冀察地方政权签订条约，分裂中国领土的阴谋是难以得逞了。但是宋哲元、张自忠等为了保持他们的冀察地盘，始终抱有幻想，认为他们已答应了日本驻屯军的要求，日军就不会再把他们赶出冀察了。因此，宋哲元、张自忠与驻屯军参谋长桥本签订了停战协定三项六条秘密条款后，即率领二十九军及冀察政权要人于19日晨返回北平。中共党员二十九军副参谋长张克侠当时曾拟定作战方案，要旨为：中日两军冲突开始，即以绝对优势兵力歼灭分散在冀察内地各个据点的日军，然后将兵力迅速推向长城各口，阻击日军前进。但宋哲元因对日军挑衅抱有侥幸心理，未予采纳。及至日军援军源源入关，冀察主战派秦德纯、冯治安等又欲作背城一战。张克侠在中共中央北方局和中共中央军委华北联络局的支持下，积极组织平津的保卫战。中共平津党组织通过党员和抗日群众团体成员，除组织了大批慰问团、服务团到阵地鼓舞士气外，还募集麻袋，修筑大量巷战堡垒，并提出了像西班牙人民保卫马德里那样来保卫平津的口号，誓死协助二十九军保卫平津。但是宋哲元、张自忠等认为他们既已答应日本的要求，日军将不再进攻平、津两大城市。于是宋哲元等19日上午回到北平后，即下令拆除北平城内的巷战堡垒，以为这样一来，战争危机就可以烟消云散了。
正当宋哲元履行在天津签订的屈辱条件，取缔抗日运动，调开妨害中日亲善的军官之际，日本陆军中央部接到驻南京武官转来国民政府已下决心抵抗日军侵略的情报。20日晨，日本参谋本部召开部长会议，决定使用武力解决事变。当即由作战部拟定了第二次动员计划交给陆军省，于上午10时召开的内阁会议上由陆相杉山元提出："鉴于南京政府的答复没有诚意，为监视中国方面对协定的诚意和实行情况，以及作好对中央军作战的准备，应急速从国内派出三个师团。"这时，日本军部第一次动员的朝鲜师团和关东军的两个混成旅团及集大成航空团以及华北驻屯军的混成旅团已结集在北平、天津外围。为扩大侵略战争寻找借口，25日，日军驻朝鲜的川岸文三郎第二十师团以检查电线为名，派兵一个中队企图进入廊房车站，当即遭到驻军张自忠第三十八师一一三旅刘振三部的英勇阻击。翌日拂晓，日本华北驻屯军司令香月清司派空军轰炸我国驻军营房。8时又派来二十师团的一个联队进攻二十九军，廊房遂被攻陷。26日，与朝鲜川岸师团进攻廊房的同时，香月清司派出华北驻屯军河边正三旅团一个大队乘火车到丰台，以保护侨民为名，拟乘宋哲元下令拆除城防工事之际，冲入北平城内。这个大队下午2时到达丰台车站，换乘二十六辆汽车向广安门开进。当晚7时，日军先头三辆汽车刚刚通过城门，即遭赵登禹第一三二师守军石振纲旅阻击，结果有十二辆汽车冲入城内进入使馆区，其余受到相当损失，退回丰台。
经过驻守廊房、广安门两地的二十九军阻击后，日军华北驻屯军司令官香月清司即于26日午后5时半以最后通牒交给秦德纯：
（一）八宝山、卢沟桥附近的第三十七师，须于27日中午前撤至长辛店；
（二）北平市内及南苑的三十七师，须于28日中午前，经平汉线两面撤至永定河右岸，以后继续移驻保定地区；
（三）如不按上述实行，即认为贵军无诚意，我军将不得不采取单独行动。
宋哲元用长途电话向南京政府军事委员会请示后，拒绝了日军的要求。香月清司即于26日晚10时20分下达了如下作战命令：
（一）明7月27日正午开始攻击；
（二）在廊房及天津的二十师团主力在团河村附近集结（北平南十五公里）与位于马驹桥（北平东南约十五公里）的一部部队协同攻击南苑；
（三）华北驻屯军步兵旅团主力从丰台向南苑西北端方向攻击，至11时进入北平-马驹桥一线，听从旅团长指挥；
（四）北平警备队保护北平侨民；
（五）独立混成第十一旅团（在高丽营）从卫营（北平北约十六公里）附近攻击西苑，然后进入永定河一线；
（六）独立混成第一旅团（在顺义）从沙河镇方向向永定河线攻击；
（七）军预备队（第二十师团的步兵三个大队）位于天津；
（八）集大成飞行团主力于拂晓攻击西苑兵营；
（九）临时航空兵团一部在承德，主力跃进于天津，协助地面各兵团的扫荡战，并随时准备与中国空军决战。
当时第二十九军驻扎在平、津两市的兵力，有冯治安、张自忠、赵登禹三个师零四个独立旅及石友三保安队、郑大章骑兵师各一，分布如下：
第三十七师（师长冯治安），师部驻西苑，一一一旅刘自珍部驻北平城内，一一○旅何基沣部驻西苑八宝山、卢沟桥、长辛店；第一○九旅陈春荣部、独立第二十五旅张凌云部驻保定。
第三十八师（师长张自忠），师部驻天津，独立二十六旅李九思和一一二旅黄维纲两部驻天津市和韩柳墅、小站、大沽、马厂；第一一四旅董升堂部驻南苑和丰台；第一一三旅刘振三部驻杨村、廊房。
第一三二师（师长赵登禹），由河间调北平与冯治安换防。独立第二十七旅石振纲部接北平城防、第二旅王长海部驻永定河南岸和团河，第一旅刘景山和独立第二十八旅柴建瑞两部驻河间、大名。
特务旅（旅长孙玉田），驻南苑，一个团驻北平城内。骑兵第九师（师长郑大章），师部和一个团驻南苑，其余两个团分驻固安、易县。冀北保安队（司令石友三），司令部和四个团驻黄寺。独立第二十九旅（旅长阮玄武），旅部和三个团驻北苑。军官教导团（团长宋哲元、副团长佟麟阁），三个营驻南苑。
日军完成对平津作战部署后，香月清司即于7月28日8时下达了夺取北平的作战命令。其川岸文三郎第二十师团主力为左翼兵团，从南苑的东南角及西南角向南苑进攻，首先击溃赵登禹的第四团，夺取了团河。二十九军为了阻击敌人，驻南苑的三十八师董升堂旅曾反攻丰台，一度攻入市区，刘振三旅反攻廊房，亦一度得手。香月为了制服二十九军，当即派出十八架飞机对南苑二十九军营区进行轮番轰炸。当时南苑驻有三十八师董升堂旅和一三二师一个团及军官教育团、骑兵团等。赵登禹系南苑指挥官，但该师主力尚在永定河南岸，经日军飞机轰炸，通讯系统失灵，部队只好各自为战。而南苑营区又未构筑坚固堡垒，驻防部队只有依托营外围砦与日军搏斗，死伤二千余人。至下午1时，川岸师团从东南角攻入南苑。佟麟阁与赵登禹仓皇下令向北平城内撤退，退至大红门南，突遭由通县南下的河边旅团的伏击。日军依托村落，施展狂烈的火力射击，撤退的二十九军部队行进在公路上，未来得及展开即受到歼灭性打击，副军长佟麟阁、师长赵登禹以下三千余人死于日军枪林弹雨之下。与此同时，关东军混成第一旅团攻占沙河，第十一旅团攻占清河镇。
7月26日午后，日军华北驻屯军司令官香月清司向宋哲元发出最后通告，限北平市内及西苑的三十七师于28日中午前撤至永定河右岸，如不遵办，即采取自由行动。日军随即向廊房、通县城、团河村二十九军发起进攻。宋哲元请示南京国民政府军事委员会后，于27日晚被迫发出了为"自卫护国，不惜牺牲"的通电。平、津各处驻军接到宋哲元的通电和报纸所载反攻廊房、丰台大捷消息后，士气极为振奋。驻防天津地区的张自忠第三十八师黄维纲、李九思两个旅和刘家銮的保安队等在师参谋长李文田的指挥下，于28日夜向占据天津北站、东站、飞机场、日军司令部等处发起了进攻。当时日军驻守天津的兵力只有步兵三个大队，还有临时航空兵团，兵站以及军部直属队约五个步兵小队。由于三十八师的兵力占绝对优势，攻击甚为得手，一度攻克日军兵站仓库所在地东站。但日军在南苑打垮二十九军后，即将第二十师三十九旅团开回天津固守，并由关东军从热河西部抽调第二混成旅团前来增援。激战至31日，李文田率三十八师撤离天津。另一条战场在通县，27日晨3时，驻通县的华北驻屯军河边旅团第二联队发起突然进攻，打走二十九军驻军傅鸿恩营后，即挥军南下，参加该旅团进攻南苑东北隅战斗，在大红门南截住了佟麟阁、赵登禹等率领的往北平城内撤退的部队，展开攻击，使佟和赵及官兵三千余人惨遭牺牲。
在报纸登载的二十九军抗日胜利消息的鼓舞下，驻通县的伪冀东防共自治政府保安第一、二总队，原系于学忠东北军一一八师的两个团，29日2时突然暴动，逮捕了汉奸殷汝耕，进攻日军守备队，将日军百余人及特务机关人员全部击毙，然后由队长张庆余、张砚田率领三千余人于下午4时撤出通县，开来北平。不料二十九军已经撤走，保安队在平西遭日军截击，受到相当损失，旋由张砚田率领撤往保定，恢复一一八师番号，由张砚田任师长。后由陈诚并吞其番号。
宋哲元仓促下令迎战，其军部所在地南苑只经日军五六个小时攻击即告失守，而北平城北的军事支点清河、沙河又被关东军占领，二十九军在北平的态势已十分不利。宋哲元召开军事会议讨论战和大计。张自忠表示：委员长（指宋哲元，编者注）移动一下，我还有办法。宋亦希望张出头与日军周旋代其受过，以便其南下收拢部队，遂委张代理冀察政委会委员长、绥靖公署主任、北平市长，将石振纲旅两个团改编为保安队，又在北苑留下阮玄武旅，利用日军攻下南苑打扫战场和休整空隙，宋哲元于28日夜率秦德纯、冯治安及驻西苑的三十七师逃出北平，经门头沟向保定退去。