24日，抵达保定、沧州一线的孙连仲等增援部队被宋哲元劝阻，到这时宋哲元还在担心中央军来抢他的地盘。在给蒋介石的电报中仍恳切地央求“刻下拟请均座千忍万忍，暂时委屈求全，将北上各部队稍为后退，以便缓和目前，俾得完成准备。”
25日兵力火器配置到位的日军突然进攻廊坊，38师113旅旅长刘振三奋起抵抗，因兵力悬殊，被飞机重炮击溃，日军占领廊坊，战事进一步扩大。
26日晚，中国驻屯军司令官香月清司向宋哲元发出最后通牒，限29路军于27日正午以前撤出北平，否则将坚决予以歼灭。宋哲元这时才明白自己被利用愚弄了，战争已经不可避免。追悔莫及、羞愤交加的山东大汉这次总算表现出一点血性，愤然拒绝，退回通牒。
27日，宋哲元召开军事会议，情报不准、军事准备不足的情况下决定在8月1日发动全面进攻，冯治安37师会同赵登禹132师主力攻丰台、南苑，张自忠38师攻天津海光寺。然而不等他做好准备，不被陈海松知晓的隐藏在29路军内部的汉奸当天就把他的反攻计划传递给了日军。
28日拂晓，香月清司指挥铃木混成旅团、河边正三旅团、机械化旅团和航空队，自北苑、西苑、南苑一齐对北平城周围守军阵地发起总攻击，对敌情一无所知的29路军面对突然杀到的重兵集团措手不及，损失惨重，伤亡五千余人。在南苑指挥战斗的副军长佟麟阁、132师师长赵登禹壮烈殉国，陈海松满以为可以逃过此劫的学兵团的热血青年几乎全军覆没。
北平部分高校教师、学生在北平学工委书记蒋南翔带领下携带书籍、教学仪器到达张掖，临时安排在帐篷居住，参加校舍建设劳动，放假回家的教师、学生正从四面八方赶来。
29日凌晨仍抱着和平梦想的宋哲元留下张自忠任北平市长负责与敌斡旋，29路军留下四个团维持治安其余全部撤往保定，北平陷落。
原本历史上在29日起义的冀东自治军张庆余、张砚田在有心人的指点下没有贸然发动“通州起义”，继续加紧训练，担负平西地区的治安任务，只是各师司令部里增加了不少新参谋，训练要求更加严格，得到日本顾问的赞赏。
30日，38师在副师长李文田率领下进攻天津，在海光寺外遭到重炮拦截和飞机轰炸，溃败至沧州一线。天津陷落。
第二天蒋介石发表《告全体将士书》，悲壮地宣布：“和平既然绝望，只有抗战到底”，宣告战争已经全面爆发。
31日苏联援助的五架波-2教练飞机降落在张掖机场，西路军提前选派留下的200余人加入新成立的第八路军航空学校跟随苏联军官学习飞行和地勤管理。
进入八月，以轻微损失占领平津地区的捷报大大鼓舞了惴惴不安的日本内阁，狂喜之下也激发了他们更大的野心。进一步增派援军，把原定的作战目标从平津地区扩大到山东、河北。兵分两路一路沿津浦铁路进犯，指向山东的德州；一路沿平汉铁路进犯，指向河南的新乡；计划一举歼灭保定、沧州一线几十万犹豫不决的中国军队。
8月7日，由于担心兵力雄厚的晋绥军威胁华北平原上的日军侧翼安全，稍作休整的板垣征四郎第5师团和铃木重康独立混成第11旅团奉命向南口及其沿线长城要隘展开进攻。国军汤恩伯部、傅作义部、刘汝明部利用险关要隘、凭着血肉之躯与拥有飞机坦克重炮的日军展开激烈争夺，双方反复冲杀，战事异常激烈，我军死伤惨重，阵地不断丢失。
9日，日本关东军参谋长剃刀将军东条英机不甘心战事局限于平津地区，日本军人以下犯上、自作主张、敢于冒险、渴望军功伟业的传统习惯让他不顾内阁的作战要求，迅速抽调关东军部队装备组建察哈尔兵团，准备自北向南侧击张家口，打乱了守军部署，使其腹背受敌，将战火引向晋绥。
面对华北日军咄咄逼人的攻势，不甘心坐以待毙的蒋介石考虑在上海作战比在遥远的北方大平原作战补给方便，能避开机动力占优势的日军。遵照国防计划甲案，准备集中兵力歼灭上海的三千日军海军陆战队，海军准备堵塞江阴，全歼日军长江舰队，没想到无处不在的汉奸将机密泄露，日本长江舰队提前逃出长江口。
国军此时急于在预设阵地内吸引消灭大量日军，策应华北作战，同时希望招来大国干涉。于是在华北已经开战的情况下，自动废除了1.28条约中国军不能进驻上海市区的规定。8月13日，进驻虹桥机场的中国军队将前来侦察的日军击毙，战火从海河流域扩大到了富饶发达的长江流域。
国民党政府第二天发表了《自卫抗战声明书》，宣告“中国决不放弃领土之任何部分，遇有侵略，惟有实行天赋之自卫权以应之。”第九集团军张治中指挥三个德械师向日本陆战队发动总攻，弱小的中国空军首次投入作战。
15日，日本正式宣布组建上海派遣军，以松井石根大将为司令官，率领两个师团的兵力开往上海增援，进一步扩大对中国的侵略战争。随后的3个月里双方不断增兵，国军精锐75万先后参战，日军也增兵30余万，展开了抗日战争中规模最