准备突破内长城线后，参加保定会战。
在日军第5师南下的同时，关东军察哈尔派遣兵团亦以混成第2、第15旅等部在伪蒙骑兵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，大同守军弃城而退，日军不战而占大同。尔后，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。至此，平绥线作战遂告结束。
平绥路沿线作战自8月11日至10月16日，历时两月有余。平绥路作战中国军队失利，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。
三、平汉、津浦铁路北段的作战
8月下旬，日军在平绥线取得进展后，即以第20、第6、第14师在北平，以第10师在天津，分别向南进占良乡、固安、静海附近地区。8月31日，华北方面军成立后，即根据日军参谋部关于进行华北会战的命令，于9月4日制定了《华北会战指导方略》。《方略》规定将会战的重点放在河北省中部的平汉沿线，由第1集团军担任该线作战，第2集团军负责津浦线作战，第5师从蔚县南下参加河北省中部会战。为保证第1集团军在重点方向平汉线的作战，方面军除令第5师南下蔚县，以确保平汉线右侧安全外，还令第2集团军先向津浦线进攻，以保障平汉线左侧的安全。
日军第1集团军于9月11日下达命令，规定9月14日开始攻击。具体部署：
以第20师攻击涿县北面之中国军，尔后，迅速进入易县以南地区；
以第14师迂回涿县以南地区，切断第20师正面中国守军的退路；
以第6师攻击其当面固安以南地区，然后进入定兴附近；
以第50团为军预备队，位于良乡。
9月11日，日军第2集团军占领了津浦线上的马厂和青县，并以一部兵力进至青县以南的兴济镇。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。确定北正面的主要任务是：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。并区分第1集团军力右地区队，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；
第二道设在易具、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。
（一）保定、沧县地区的战斗
9月14日，日军第1集团军从北平附近出发，分三路向涿县、保定地区大举进犯，其第20师由正面向琉璃河、涿县方向进攻；第14师于永清、第6师于固安方面渡过永定河，分别向涿具南面和定兴方向迂回。中国守军第1军团（第26路军）、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，已进至汀县以西地区；第6师越过沼泽地区后，已进到拒马河左岸的辛桥地区；第14师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军在大情河右岸阻敌前进。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集团军突破保定附近阵地后，向正定迫击；令第2集团军第10师向德县进攻，其余部队向正定方向迫击，以切断平汉线上中国军队的退路；令第5师主力迅速经沫源进入保定方面，据此，日第1集团军于21日沿平汉路及其两侧向南推进。22日，日军开始向僧河阵地攻击，并于当日占领满城。同日，蒋介石曾电令刘峙固守保定、满城，但已无济干事。23日，日军开始向保定及其两侧地区发起攻击，未能得逞。
24日11时，日军第6师在炮兵火力支援下，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 ＇《中国现代政治史资料汇编》第3辑，第29册。＇。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集团军南犯的同时，日第2集团军按照方面军关于“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，＇〔日〕《中国享变陆军作战》（1），第332页。＇ 以第10师沿津浦路南下，迅速占领沧县；以第16、第109师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，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，即向献具转移，改归第1战区指挥。日军乃进逼献县、德县。
（二）石家庄、德县及其以南的战斗
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，担负平路线以东、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：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集团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师和新加入战斗的第108师，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师强渡滹沱河，占领了石家庄。
11日，第20师占领井陉。在此期间，日军第2集团军以第10师沿津浦铁路向德县攻击前进，第16师和第109师沿于牙河西南方向推进，配合日第1集团军进攻石家庄。10月初，日军第16、第109师连占武强、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，将第6、第16、第20、第109师等部、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）、任具、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