日軍稍戰(zhàn)即占領(lǐng)平津，進一步膨脹了吞并華北乃至滅亡中國的欲望。8月初，日軍增派部隊陸續(xù)抵達中國，陸軍參謀本部很快擬定了進攻察綏的計劃，沿平綏鐵路向中國軍隊守衛(wèi)的各要地發(fā)動了猛烈的進攻。
平綏鐵路東起北平，西迄包頭，途經(jīng)冀、察、晉、綏四省，是貫通華北至西北地區(qū)重要的交通大動脈。該地帶北枕燕山、陰山，南依太行山余脈，緊鄰內(nèi)蒙古高原和山西臺地，呈西高東低之狀。自北平西北穿過長城，山道崎嶇，有南口、居庸關(guān)、八達嶺諸天險，入晉綏后，為高原和臺地之間寬闊平緩地域。沿線有桑干河、洋河、白河、五加河等，或由北南流，或由西東流。從軍事上看，一旦占領(lǐng)平綏鐵路，向東可扼制華北，向南可直達晉陜，向西向北可遙控蒙疆地區(qū)，具有極重要的戰(zhàn)略價值。因此， 日軍制訂侵吞華北的作戰(zhàn)計劃時，為防止中國軍隊由平綏路攻擊其右側(cè)背，對察綏局勢十分重視。7月30日，日本關(guān)東軍向陸軍省提出協(xié)助華北作戰(zhàn)的申請，明確指出：“結(jié)合北平平原作戰(zhàn)，指導(dǎo)內(nèi)蒙軍確保商都(七臺)、張北一線，做好下一步的攻擊準(zhǔn)備。然后隨著攻勢進展，進入平地泉、大同方面推進渴望已久的內(nèi)蒙工作?！雹佼?dāng)時， 日軍主力正集中于平津地區(qū)作戰(zhàn)，對察綏方面無暇顧及。 日軍參謀本部仍指示關(guān)東軍加強內(nèi)蒙作戰(zhàn)，以確保商都、張北一線，并增派軍隊布防于多倫附近。8月初，平津戰(zhàn)事結(jié)束。日本華北方面軍提出第二期作戰(zhàn)計劃，要求與關(guān)東軍協(xié)作“從平綏沿線地區(qū)開始作戰(zhàn)，席卷察哈爾省，進入山西省北部及綏遠地區(qū)”。日軍參謀本部先后調(diào)派原駐熱河的獨立混成第十一旅團和在日本廣島編成的第五師團沿平綏線和鎮(zhèn)邊城分兩路攻擊中國軍隊。
中國方面也比較重視平綏路的防守。平津淪陷后，南京國民政府判斷日軍必定對華北各地大規(guī)模進攻，遂重新調(diào)整軍事部署，先后集中四十多個師北上，并將空軍主力向洛陽、西安附近推進。8月初，蔣介石任命傅作義為第七集團軍總司令，劉汝明為副總司令，湯恩伯為前敵總指揮，負責(zé)平綏路東段之防守。
當(dāng)時的軍事態(tài)勢為： 日本方面除投入第二十師團、第五師團和混成第十一旅團外，原屬第六師團的以步兵第三十六旅團長牛島滿指揮的支隊，以關(guān)東軍筱原誠一郎指揮的混成第十五旅團以及關(guān)東軍安藤三郎的第二飛行集團也參加了作戰(zhàn)。中國方面，在南口地區(qū)以湯恩伯第十三軍八十九師和九十四師沿長城線自南口至寧強堡組織陣地防御，以高桂滋第十七軍二十一師和八十四師部署于寧強堡—赤城—龍關(guān)一線；在張家口地區(qū)，以劉汝明第六十八軍一四三師擔(dān)任正面防御；另以傅作義第三十五軍和趙承綬之騎兵第一軍集結(jié)于綏東之集寧、興和地區(qū)，作為機動兵力。
平綏路沿線的第一仗是南口戰(zhàn)役。南口位于平綏鐵路南段，距北平四十余公里，為平綏路西進之第一道天險，無論對平綏路全線還是北平的安危均至關(guān)重要。當(dāng)時，國民黨軍事委員會所頒布的作戰(zhàn)指導(dǎo)計劃曾指出：“平綏路為第二戰(zhàn)區(qū)之生命線，亦為中蘇聯(lián)絡(luò)之生命線，更為我軍旋回作戰(zhàn)能否實施之中樞線，應(yīng)以南口附近為旋回之軸，以萬全、張北、康保為外翼，要固守南口、萬全，國軍作戰(zhàn)方有生機……如國軍始終保有南口、赤城、沽源之線，則平津方面之?dāng)硾Q不敢冒險南下。”②研究中日戰(zhàn)爭的外國人也分析說：“南口到張家口這一段，正是平綏鐵路全路軍事險阻所在，也為晉綏乃至整個西北對日抗戰(zhàn)上惟一的易守難攻門戶。假使察哈爾在華軍手里，駐上雄厚的兵力，不但日軍休想圖晉綏，入西北，……而且在南口雄視之下， 日軍強占之下的平津，將于何時遭華方突襲， 日軍實不能有絲毫把握?！雹鄱鴮τ谀峡谶@樣一塊軍事戰(zhàn)略要地，直至日軍由平綏路北上，中國軍隊只有第二十九軍的兩個步兵營駐防，“除了山頭一條土溝外，一點工事也沒有做”。
8月上旬，日軍沿平綏線大舉進攻南口和張家口。察哈爾省主席劉汝明率部南撤。國民政府急派駐綏東的湯恩伯部急赴南口填防，并以晉綏軍第七十二師陳長捷部、獨立第七旅馬延守部、第六十一軍劉??馥旅，陸續(xù)前往支援。
8月7日晨，第十三軍抵達南口，緊急構(gòu)筑防御工事。8日，日軍先頭部隊也到達南口，雙方軍隊展開前哨戰(zhàn)。 日軍首先攻擊南口左翼陣地得勝口，遭到中國軍隊抗擊，翌日又突然襲擊南口正面的龍虎臺陣地，亦被中國軍隊擊退。自10日起，日軍主力部隊陸續(xù)抵達，遂向南口陣地發(fā)起總攻。 日軍集結(jié)重兵在飛機、大炮和坦克等掩護下，向南口正面陣地猛攻，同時以一部向南口西側(cè)長城線助攻，另一部佯攻得勝口，企圖分散中國軍隊防守。由于南口得失對雙方關(guān)系至關(guān)重大，戰(zhàn)斗十分激烈。日軍二三十架飛機頻繁轟擊中國守軍的陣地，并配以重炮阻擊中國援軍，然后用坦克掩護步騎兵沖鋒。霎時間，陣地上硝煙彌漫。防守南口正面的五二九團英勇頑強，給敵人以重創(chuàng)。 日軍飛機和大炮將防守工事幾乎炸平，將士們?nèi)詧允仃嚨?，一步不退?2日拂曉，敵調(diào)來增援部隊，以步兵五千余人，炮五六十門，戰(zhàn)車二三十輛，實施全面猛攻。中國守軍冒著槍林彈雨，與敵人往復(fù)爭奪陣地達六次之多。面對敵軍的坦克，第十三軍五二九團七連官兵異常英勇。連長隆桂銓帶領(lǐng)兩個排的戰(zhàn)士，不顧坦克的射擊沖出掩體，爬到疾駛的坦克上，把拉著導(dǎo)火索的手榴彈塞入駕駛室，以犧牲過半的代價粉碎了日軍的“坦克戰(zhàn)術(shù)”,擊毀坦克六輛，勝利地保衛(wèi)了南口陣地。
戰(zhàn)斗進入第五天(13日),日軍開始改換戰(zhàn)術(shù)，把重炮每四門一行，排成縱隊，四周又以坦克掩護，從早到晚不停地向中國守軍輪番炮擊，再加上二十余架飛機的轟炸，使中方陣地上簡陋的工事全被摧毀。于是，戰(zhàn)士們自挖掩體，堅持戰(zhàn)斗。雙方在戰(zhàn)斗中均遭到嚴(yán)重傷亡， 日軍損失一半以上，中國軍隊傷亡近三分之二。由于進攻的進展甚微， 日軍令第五師團加入戰(zhàn)斗。16日晨，日軍再次向中國守軍發(fā)起全面攻擊，第三師團配合第九師團兩個聯(lián)隊進攻南口主陣地，混合聯(lián)隊和第九師團一個聯(lián)隊進攻雁雀山陣地，第五師團一個聯(lián)隊協(xié)同坂田支隊進攻長城線陣地。中國軍隊以地雷、手榴彈、機槍、大刀等武器奮勇拼殺，使敵遺尸數(shù)百具。17日，日軍第五師團四十二聯(lián)隊攻占長城防線上的最高峰一三九○高地，隨即攻打該高地至鎮(zhèn)邊城之間各要隘，使中國守軍的防御線岌岌可危。18日，傅作義率第七十二師、第二○○旅、第二一一旅和獨立第七旅馳援南口。蔣介石也急令衛(wèi)立煌所部經(jīng)易縣、淶水迅速向周口店一帶集中，以增援南口、懷淶地區(qū)作戰(zhàn)。
日軍發(fā)現(xiàn)衛(wèi)立煌所部北進，即派第六師團牛島支隊進入門頭溝以西山地堵?lián)?，并飭第二十師團進入良鄉(xiāng)西北山地攻擊中國守軍。22日，衛(wèi)立煌所部第八十三師在千軍臺與牛島支隊一部遭遇，雙方展開激戰(zhàn)。至24日，第八十三師主力甩掉敵人，繞道向鎮(zhèn)邊城方向移動，惟因道路險峻，前進遲滯，未能全面阻擊敵人，而日軍本間旅團卻由張北方面突破長城神威臺口，呼應(yīng)長城外各路日軍，直趨張家口，使南口形勢大變。
在南口防御線正面，21日晨日軍向橫嶺城和鎮(zhèn)邊城猛攻，企圖借助復(fù)雜地形，由山徑小路，迂回居庸關(guān)之側(cè)背，切斷南口各陣地的聯(lián)絡(luò)。中國守軍在黃泥洼及其以西高地拒敵，第四師十九團一營官兵傷亡殆盡。戰(zhàn)至中午，第四師傷亡慘重，后得到七十二師四一五團增援，退守灰?guī)X子、長城峪一線。22日，日軍一部突入長城峪北沿陣地，第七十二師緊急馳援，將所失陣地奪回。爾后， 日軍一面繼續(xù)向中國守軍正面攻擊，一面派兵向鎮(zhèn)邊城和橫嶺城方向迂回。23日，向鎮(zhèn)邊城西南迂回的日軍與中國守軍七十二師四一六團展開激戰(zhàn)。終因中國軍隊孤立無援，鎮(zhèn)邊城失守。25日，日軍猛攻橫嶺城和居庸關(guān)，中國軍隊?wèi){險抵抗。下午3時， 日軍坦克沖入居庸關(guān)。橫嶺城方面也因陣地后方之水頭村被日軍占領(lǐng)而陷入日軍包圍。
在戰(zhàn)局明顯對中國軍隊不利的情況下，中國軍隊于26日下午實施突圍。第十三軍各師分別撤至甘家堡、土木堡、涿鹿、沙城。衛(wèi)立煌所部奉令退回房山，后撤至石家莊。
中國軍隊突圍后，日軍立即發(fā)起追擊。26日，第五師團一部占領(lǐng)懷淶。27日，獨立混成第十一旅團一部占領(lǐng)延慶。至此，南口戰(zhàn)役結(jié)束。此役歷時半個月，中方投入兵力“約六萬之余，已參戰(zhàn)之十三軍所轄兩個山炮營計炮24門，各部隊參加戰(zhàn)斗運輸?shù)尿咇R約五千匹”,傷亡約一萬七千人。敵方投入兵力“共為兩個師團一個混成旅團，兩炮兵聯(lián)隊，一鐵道炮隊(飛機每次轟炸均為二三十架)”共傷亡官兵一萬五千余人。戰(zhàn)后，中共中央機關(guān)刊物《解放》高度評價中國守軍英勇抗敵的無畏精神，指出：“不管南口陣地事實上的失卻，然而這一頁光榮的戰(zhàn)史，將永遠與長城各口抗戰(zhàn)、淞滬兩次戰(zhàn)役鼎足而三，長久活在每一個中華兒女的心中?！雹?br>在南口前線中日軍隊激戰(zhàn)之際， 日本關(guān)東軍察哈爾派遣兵團于8月20日也向張家口發(fā)動了進攻。占領(lǐng)張家口是日本滅亡察哈爾計劃的主要內(nèi)容。事實上當(dāng)南口戰(zhàn)役尚未展開時， 日本大本營就向中國駐屯軍司令官傳達了應(yīng)以有力部隊于8月中旬沿平綏線向張家口方向掃蕩察哈爾的敕命，并對關(guān)東軍司令官下達了應(yīng)以必要之部隊向熱河省及內(nèi)蒙方面作戰(zhàn)，警備自熱河省邊境至張北一線，以利攻占察哈爾的指令。為此，關(guān)東軍將機械化的獨立混成第一旅團等由華北轉(zhuǎn)調(diào)內(nèi)蒙，使之進入張北方面。
張家口三面環(huán)山，形勢險要，為內(nèi)蒙古入察南之隘口，也是晉北之屏障，口外則地形平曠，適于騎兵與機械化部隊活動。防守張家口地區(qū)的中國軍隊為第七集團軍第一四三師和第二○○旅、獨立第七旅，統(tǒng)由集團軍副總司令劉汝明指揮。劉鑒于張家口的地形特點，將一四三師所轄保安第二旅布防于張北與長城之間，以阻敵南進；獨立第四十旅布防于長城內(nèi)的膳房堡以北地區(qū)。同時將一四三師主力、第二○○旅布防于萬全附近，將保安第七旅布防于崇禮以南地區(qū)。8月20日，日本關(guān)東軍察哈爾派遣兵團第二混成旅團在大泉大隊的策應(yīng)下，對張北以南的外長城發(fā)動猛烈攻擊，突破中國軍隊的長城防御，占領(lǐng)神威臺，并從神威臺以東的漢諾壩、以西的老北臺攻進長城。22日，日軍乘勝攻占萬全，中國守軍被迫后撤，退守張家口西南、平綏線上的孔家莊一線高地。此后，中日軍隊在孔家莊一帶激戰(zhàn)。日軍一度占領(lǐng)張家口西南高地和孔家莊車站。這時，傅作義率兩個旅緊急回援。張家口第一四三師乘勢反擊，將張家口西南高地的日軍包圍，惟因整個戰(zhàn)局惡化未能抑制住日軍的攻勢。26日，南口、懷淶相繼失守。27日，劉汝明下令所部向洋河右岸撤退，傅作義被迫率部退守張家口以西之柴溝堡，張家口遂告失陷。 日軍第二混成旅團占領(lǐng)張家口后，主力繼續(xù)向東南的宣化、下花園進攻，29日在下花園與南來之第五師團會合。關(guān)東軍獨立混成第一旅團則沿鐵路向張家口以西進攻，于29日占領(lǐng)柴溝堡車站。中國軍隊受日軍南北夾擊的威脅，分頭向天鎮(zhèn)、蔚縣方向撤退。
南口、張家口失陷后，平綏路東段各隘口落入日軍之手，西段地形較東段更為開闊與平緩，形勢對中國軍隊愈加不利。這時，中國第二戰(zhàn)區(qū)司令長官部判斷， 日軍以后的作戰(zhàn)行動一是可能以一部兵力向蔚縣、廣靈佯攻，主力沿平綏路西進奪取大同，以切斷中國軍隊晉、綏聯(lián)絡(luò)線；二是以一部兵力向天鎮(zhèn)實施牽制攻擊，主力向廣靈進攻，截斷中國軍隊后路。為挫敗日軍的陰謀，第二戰(zhàn)區(qū)決定利用山地阻敵，主力配置于天鎮(zhèn)、陽高、廣靈、靈丘、平型關(guān)各地區(qū)，一部控制于大同、渾源、應(yīng)縣附近，以策應(yīng)各方之戰(zhàn)斗，相機轉(zhuǎn)移攻勢。如日軍以主力指向大同，進攻天鎮(zhèn)時，則天鎮(zhèn)守軍拼死待援，以大同附近之總預(yù)備隊向天鎮(zhèn)推進，以位于渾源附近的兵力，渡桑干河向天鎮(zhèn)右翼實施側(cè)面攻擊，俟敵頓挫后，再由天鎮(zhèn)兩翼夾擊之。
日軍占領(lǐng)平津地區(qū)及平綏路東段不久，為發(fā)動全面侵華戰(zhàn)爭并策應(yīng)在上海作戰(zhàn)，于8月31日成立“華北方面軍”,并向華北增派了四個師團。9月4日，華北方面軍制定作戰(zhàn)計劃，派遣第五師團迅速占領(lǐng)蔚縣及淶源地區(qū)，切斷望都以南的平漢鐵路，以配合日軍大規(guī)模南侵。9月6日，日軍第五師團分三路直逼蔚縣。擔(dān)負蔚縣防御的劉汝明第六十八軍，尚未與敵接觸即棄城而逃。湯恩伯立即命令第十七軍高桂滋部由廣靈派一個團跑步前往蔚縣防御。到達距蔚縣七八里之地時，獲悉日軍騎兵已先期進入蔚縣城。11日，日軍第九師團一部也進占淶源以北的伊家堡和同溝。
這時， 日本關(guān)東軍察哈爾兵團也沿平綏路西進，向大同等地進逼。 日軍在偽蒙騎兵協(xié)同下，分四路進攻：第一路沿平綏路越柴溝堡趨天鎮(zhèn)，直指大同；第二路自張家口趨興和，指向集寧；第三路自懷安趨陽原，指向渾源；第四路自懷來趨蔚縣，指向廣靈，冀圖由長城內(nèi)外形成夾擊大同之勢。
中國第二戰(zhàn)區(qū)司令長官部獲悉日軍西進計劃，決心誘敵進入大同東面的聚樂堡“國防陣地”地區(qū)，集結(jié)強大兵團于南翼的渾源、東井集間和北翼的綏東豐鎮(zhèn)、興和間，發(fā)動南北鉗擊，并以騎兵集團向張家口挺進，實施“大同會戰(zhàn)”,遂命第六十一軍在天鎮(zhèn)、陽高一帶布防固守，阻敵西進；第十九軍布防大同城郊；第三十四軍和第三十五軍各一部分別布防于渾源與興和一帶；騎兵第一軍在尚義、商都等地負責(zé)掩護戰(zhàn)區(qū)北翼。
9月2日， 日軍先頭部隊酒井兵團進抵天鎮(zhèn)附近之永嘉堡附近，翌日向中國軍隊駐守的磚窯村陣地發(fā)動攻擊。4日，日軍主力在三十余架飛機和炮兵支援下向磚瓦窯、李家山、羅家山發(fā)動全線進攻。在戰(zhàn)斗中， 日軍殘酷地施放毒氣彈，中國軍隊奮勇抵抗。雙方激戰(zhàn)三日，形成對峙。7日，日軍集中向天鎮(zhèn)發(fā)動全線攻擊，占領(lǐng)城東南之盤山。中國守軍除天鎮(zhèn)城內(nèi)二九九團固守城垣外，其余部隊均被日軍沖垮。此后， 日軍多次猛攻城垣，都被擊退，乃以部分兵力監(jiān)視天鎮(zhèn)，以主力迂回猛襲陽高城。10日，日軍先以重炮轟毀陽高城垣多處，隨即千余步兵自城墻缺口突入城內(nèi)，攻占陽高。第六十一軍軍長李服膺率部退往聚樂堡以南。
防守天鎮(zhèn)的二九九團連日苦戰(zhàn)，彈盡糧絕。11 日，日軍再攻天鎮(zhèn)，以飛機、大炮炸毀東北城角，步兵乘勢猛沖。二九九團被迫突圍，天鎮(zhèn)終被日軍占領(lǐng)。
與此同時， 日軍沿鐵路南下，以飛機坦克為掩護猛攻第十九軍據(jù)守的聚樂堡陣地，突破第二○五旅防線，大同告急。大同城位于內(nèi)外長城之間，地勢開闊，四通八達，適于騎兵和機械化部隊活動，易攻難守。第二戰(zhàn)區(qū)長官部考慮到這里的地形特點，再加上日軍一部已迫近廣靈一帶，其后路堪虞，乃決心放棄之。12日，中國軍隊撤守，退保廣武，大同陷落。
日軍對平綏路沿線的進攻，是分階段交叉進行的。當(dāng)大同外圍激戰(zhàn)正酣，日軍對平綏路綏遠段也發(fā)動了攻擊。9月初，日軍騎兵第一、第四兩個旅團及偽蒙軍騎兵數(shù)師，附戰(zhàn)車數(shù)十輛、飛機數(shù)十架由張北分兩路經(jīng)興和、商都，直趨集寧和包頭。這一帶地區(qū)，北倚陰山，南抵長城，西南為黃河，公路密布，交通方便。惟包頭地區(qū)有300里之歸化盆地，背靠大青山，由鐵路線仰視，巍然矗立。穿山北行之重要隘口有蜈蚣壩、五當(dāng)溝、董瓜溝、西山嘴等，利于防守。中國軍隊為防止日軍侵襲，特派騎兵第一軍趙承綬指揮第一、第二、第七及新編騎三師騎二旅與步五旅、六旅零兩個團，協(xié)同地方武裝五個團共二萬人擔(dān)任綏遠方面防守。該部重點布防于豐鎮(zhèn)、興和、南壕塹、尚義、商都、化德等地，以一部兵力布防于集寧地區(qū)，作為機動力量。當(dāng)時，馬占山的東北挺進軍約兩個師也在綏遠一帶，接受第二戰(zhàn)區(qū)指揮。
9月6日， 日軍三千余人在大炮掩護下猛攻中國軍隊駐守的南壕塹陣地未逞，翌日全線進攻尚義—興和沿線陣地。雙方激戰(zhàn)三日后，中國軍隊因眾寡懸殊不及日軍，被迫向集寧附近轉(zhuǎn)移。12日以后，日軍增調(diào)援軍，商都和豐鎮(zhèn)陸續(xù)失守。這時，第二戰(zhàn)區(qū)接到蔣介石密電：晉綏方面必須“固守晉北及綏遠要地”,“另一部固守集寧，不得已時對集寧以西地帶盡量破壞交通設(shè)施、橋梁、水井，逐次西退，最后死守綏遠待援?！雹?2日，日軍聚合西進與北上全部兵力，向集寧發(fā)起總攻。雙方激戰(zhàn)二日，中國軍隊被迫棄守集寧，向陶林、歸綏方向撤退。25日和26日，歸綏外圍之涼城、陶林失守。第二戰(zhàn)區(qū)派東北挺進軍防守歸綏，令騎兵第一軍輾轉(zhuǎn)西撤。10月12日，歸綏被日軍占領(lǐng)。隨后，日軍全力西進，包圍平綏路終端城市包頭。17日，騎兵第七師放棄包頭。晉北、綏西重鎮(zhèn)陸續(xù)落入日軍之手，平綏路沿線之戰(zhàn)結(jié)束。