平汉线第一期作战
日寇占领平津后，即以主力巩固平津地区，另一部兵力展开于平津以南的长辛店至独流镇一线，等待日本国内援军到达后，再向华北内地进攻。
1937年8月31日，日本陆军参谋部决定成立华北方面军，下辖2个军8个师团、1个航空兵团及关东军派遣兵团之4个旅团，共计37万人，司令官寺内寿一。
8月12日，国民政府召开最高国防会议，并颁布《战争指导方案》和《作战指导计划》，将晋绥察划为第二战区，任命阎锡山为第二战区司令。此前的军事会议，国民政府已将津浦路北段划为第一战区，并由蒋介石亲自担任总司令，两个战区共6个集团军60万人。
1937年8月22日，根据国共双方达成协议，军事委员会宣布将中国红军主力改编为第8路军，朱德任总指挥、副总指挥彭德怀，全军下辖第115师、第120师和第129师，兵力4.6万人。9月11日，又将第八路军改称国民革命军第18集团军，朱德改任总司令、副总司令彭德怀。同年10月，中·共领导的南方8省游击队改编为国民革命军新编第4军（新四军），次年1月6日，叶挺任军长。至此，中·共军队为适应抗战需要完成改编，从此踏上抗日战场。
1037年8月9日，日寇陆军参谋部制定实施察哈尔作战，8月14日，组建察哈尔派遣兵团，下辖独立第1、第2、第15混成旅，另有2个支队和第二航空团，任命日本关东军参谋长东条英机为司令官。8月17日，日本关东军在张北地区集结。
8月上旬，中国统帅部任命傅作义为第7集团军司令，率部加强南口和张家口地区的防御。
日寇在尚未完成集结时，于8月11日向南口发起攻击，中国守军第89师经过顽强抵抗，于13日退守居庸关长城一线。同日，蒋介石令第14集团军（卫立煌部）由石家庄驰援南口。至19日，双方在南口战斗达到白热化程度。23日，国军撤退。27日，张家口沦陷。
9月6日，日寇华北方面军第5师团分三路向南推进，攻占蔚县、广灵，先头部队到达浑源。与此同时，关东军察哈尔兵团继续沿平绥线进攻，至24日，先后攻克天镇、大同、丰镇和集宁等要点。
9月4日，华北方面军制定《华北会战指导方案》，由第1军担任平汉线作战，第2军负责津浦路作战。9月14日，日寇华北方面军第1军从北平出发，分三路向平汉路进犯。24日，保定沦陷。
同时，日寇第2军沿津浦路进攻。10月1日，日寇第1军向石家庄进攻，6日，攻占正定，10日，日寇第14师团强渡滹（hū）沱河，攻占石家庄。11日占领井陉，切断正太铁路线。此时，国军因太原、淞沪战事吃紧，令部分兵力调离，日寇乘虚而入，于15日攻占邢台，17日攻陷邯郸。
此时，八路军完成整编，于8月下旬至9月下旬从陕西三原和泾阳地区出发，奔赴华北抗日前线。9月25日，第115师于平型关设伏，歼敌第5师团第21旅团一部1000余人。次日，蒋介石至贺电：“二十五日一战，歼敌如麻，足证官兵用命，深堪嘉慰。尚希益励所部，继续努力”。至此，华北平汉线第一期作战结束，由于华北平原无险可守，日寇得以长驱直入，兵锋已经指向山东、冀南地区。
太原会战
10月初，在平汉铁路和津浦铁路激战正酣之时，日寇开始向山西进攻。11日占领原平后，企图一举攻占忻口，并直趋太原。中国军队则提前完成防御准备，由卫立煌统一指挥本部第14集团军、傅作义指挥的第7集团军及中央军3个兵团，于10月12日在忻口以北展开。战至11月1日，国军伤亡三分之二，但阵地没有丢失。
与此同时，日寇第20师团进攻晋东，26日，娘子关失守。11月2日逼近太原，第2战区司令阎锡山下令忻口守军放弃忻口回救太原。11月6日，日寇进攻太原，第7集团军总司令傅作义率第35军另2个旅据城而守，9日太原沦陷。
日寇攻占太原后，第5师团进至清徐，停止追击；第20师团进至平遥后停止进攻；第109师团在太原东南榆次集结。11月12日，第5师团调至保定、石家庄一带修整，关东军部队归还建制。
绥远作战
1937年10月，太原会战时，第2战区司令阎锡山将兵力全部投入到忻口和晋东地区作战，而同属于第2战区辖区的绥远已经无暇顾及。此时绥远省仅有新编第5旅、第6旅和骑兵第6、第7师守备，兵力异常空虚。10月20日，日寇关东军独立第11旅团改编为第20师团，并由伪蒙9个师和飞行团配合，向绥远发动进攻。
9月底，日寇先期已经占领绥远北部的陶琳、百灵庙，并沿绥北铁路西进，10月6日，晋绥军骑兵第6旅与日寇在旗下营地区对峙。10日，日寇占领凉城，12日攻占归绥（呼和浩特），17日占领包头，21日占领固阳。至此，绥远省大部分沦陷。
冀南地区作战
1937年10月17日，邯郸失陷后，在平汉线上，第一战区部队已经败退至平汉、津浦铁路之
