華北防御戰，主要沿三條鐵路線展開，一條是北平西北方向的平綏鐵路，另兩條是北平和天津以南的平漢鐵路和津浦鐵路。平綏線的作戰，從８月中旬開始到１０月中旬結束，歷時兩個月。平漢和津浦線作戰，集中于北段，自９月中旬至１２月下旬，歷時三個多月。

日軍占領北平、天津后，即以主力鞏固平津地區，以一部兵力展開于平津以南的長辛店至獨流鎮一線，待國內援軍到達后，再向華北內地進攻。８月５日，日軍參謀部決定進行華北會戰。其主要戰略意圖是：迅速打擊河北省境內的中國軍隊，占據華北要地，以期根本解決華北問題。８月７日，日本中國駐屯軍調整部署，確定：１．與中國軍隊在河北保定—滄縣之線決戰，主戰方向為平漢鐵路沿線，時間預定在９月下旬或１０月上旬。２．第５師團和獨立混成第１１旅沿平綏鐵路作戰，進攻察哈爾、山西北部及綏遠地區。

３．保定、滄縣會戰后，再向石家莊、德縣之線追擊。３１日，日軍正式編成以寺內壽一為司令官的華北方面軍，下轄第１、第２兩個集團軍、８個師團、１７個旅團和１個臨時航空兵團及其他特種部隊，外加關東軍察哈爾派遣兵團的４個獨立混成旅和２個支隊，共約３７萬人。

與此同時，中國軍事當局面對日軍即將發動的大規模軍事進攻，進行了一系列的準備。８月１２日，國民黨召開國防最高會議及黨派聯席會議，決定蔣介石為陸海空大元帥，以軍事委員會為最高統帥部。２０日，國民政府頒布了《戰爭指導方案》和《作戰指導計劃》，將全國劃分為５個戰區，其中華北平漢、津浦鐵路方面為第一戰區，華北晉、綏、察方面為第二戰區。這兩個戰區共轄第１、第２、第１４、第６、第７、第１８集團軍、２４個軍、５３個師另２１個旅及其他部隊，共約６０萬人。

為保障其側后安全，日軍首先發起了平綏鐵路沿線的戰斗。

８月８日，中日兩軍在北京西北的南口地區展開前哨戰。８月１１日，日本駐屯軍命令獨立混成第１１旅主力在飛機、大炮、坦克火力支援下，向南口展開攻擊。中國守軍第８８師在南口車站等地頑強抵抗，１２日退守居庸關、八達嶺一線主陣地。１３日，蔣介石令衛立煌率第１４集團軍增援南口。在其后的幾天里，日軍多次向中國守軍發動猛攻，但均被擊退。戰至１７日，日軍第５師一部占領長城防線上的最高峰，形勢急轉直下。至２３日，日軍分兩路，一路西進懷來，一路向東北方向包抄長城正面守軍前沿陣地。２５日，日軍在橫嶺和居庸關兩地與中國守軍激戰，２６日、２７日分別占領懷來和延慶。

　　在南口前線正在激戰的時候，日本關東軍察哈爾派遣兵團趁機向張家口發動進攻，２６日，張家口淪陷。

日軍占領南口、張家口后，于９月上旬分路南下和西進，中國守軍且戰且退。９月２０日，日軍第５師團占領靈丘，準備突破內長城后，參加保定作戰。另一路日軍于１３日占領大同，１０月１３日，又占領歸綏（今呼和浩特），１６日占領包頭，平綏作戰結束。

平綏作戰中國軍隊的失利，使日軍解除了向平漢線作戰側面的威脅，消除了其南下冀、晉的后顧之憂，為中國華北防御作戰帶來了不利影響。

為防御日軍由平津沿鐵路線向南進攻，國民政府軍事委員會于８月２０日頒布了第一戰區作戰計劃，確定其正面的主要任務是阻止日軍沿津浦、平漢鐵路南下，同時側擊日軍對南口方面的攻擊，指導計劃規定第１集團軍為右地區隊，第２集團軍為左地區隊，第１４集團軍為總機動部隊。據此，石家莊行營于８月下旬決定，在房山至保定之間構筑三道防御陣地：第一道設于房山、琉璃河、固安一線，由孫連仲的第１軍團（第２６路軍）配屬騎兵第１０師構筑與防守；第二道防線設于易縣、淶水高碑店一線，由曾萬鐘的第３軍構筑防守；第三道防線設在滿城保定新安鎮一線，由關麟征的第５２軍構筑與防守。９月１４日，日軍第１集團軍沿平漢、津浦鐵路南下，占領整個華北，是日本的既定方針。在平綏線取得進展后，日軍第２０、第６、第１４、第１０師團在天津，分別占領了良鄉、固安、靜海附近地區。９月４日華北方面軍根據日軍參謀部關于進行華北會戰的命令，制定了《華北會戰指導方略》。方略規定將會戰的重點放在河北省中部的平漢沿線，由第１集團軍擔任該線作戰。為保證第１集團軍在平漢線的作戰，方面軍命令第２集團軍先向津浦線進攻，以保障平漢線左側安全，命令第５師團從蔚縣南下，以確保平漢線右側安全。

９月１４日，日軍第１集團軍從北平附近出發，分三路向涿縣、保定地區大舉進犯。中國守軍第１軍團、第４７師、騎兵第１０師等部，依托防御陣地，頑強抵抗，但是沒能阻擋日軍進攻的勢頭。至１８日，日軍已進至涿縣一帶，其第１４師還迂回到涿縣以南地區，堵住了中國守軍的退路。在此情況下，中國守軍開始后撤，日軍乘勝展開追擊。２３日，日軍開始向保定及其兩側地區發起攻擊，但未能得逞。２４日，日軍在炮兵火力支援下，對保定城垣再次發起攻擊。在敵人的強攻下，中國守軍紛紛南撤。同日，保定一帶守軍全部退至滹沱河南岸。至此，保定及其以北地區全陷敵手。

在日軍第１集團軍沿平漢鐵路向保定攻擊時，日軍第２集團軍也沿津浦鐵路南犯，２４日占領了滄州。

保定、滄州失陷后，平漢、津浦鐵路沿線的中國守軍分別退到了石家莊和德縣地區。為便于指揮，國民政府軍事委員會于９月下旬重新劃平漢線北段為第一戰區，以程潛代理第一戰區司令長官，劃津浦路北段新設第六戰區，以馮玉祥為司令長官，統轄第１和第３集團軍，并據此調整了兵力部署。

９月２８日，日軍第１集團軍令所屬各部向石家莊追擊。１０月１日，日軍第２０、第６、第１４師團和新加入戰斗的第１０８師團，開始向石家莊進攻。未經大的戰斗，先后占領了定縣、新樂、正定、靈

丘。１０月１０日，日軍第１４師團強渡滹沱河，占領了石家莊。在此期間，日軍第２集團軍以１個師團沿津浦線向德縣進攻，以２個師團向西南推進，配合第１集團軍進攻石家莊。１０月初，日軍第１６、第１０９ 師團占領武強、深縣、衡水、束鹿等地，逼近石家莊。１０月３日，日軍第１０師團開始進攻德縣。國民政府軍事委員會命令兩個師前往增援，但只有一個團趕到。１０月５日，德縣落入敵手。

日軍占領石家莊和德縣后，第６、第１６、第２０、第１０９師團等部，先后分別調往上海和娘子關方面作戰。第１４師等部則繼續沿平漢線及其兩側向南追擊，中國軍隊逐次撤退。１０月１９日，日軍強渡漳河，遭到關麟征第５２軍頑強阻擊，雙方傷亡重大，在豐樂、安陽間形成對峙。

１０月下旬，國民政府軍事委員會再次調整兵力部署，決定第１集團軍改歸第１戰區指揮，津浦路作戰由第３集團軍負責，改屬第５戰區，撤銷第６戰區，同時命令第１集團軍以一部于平漢、津浦鐵路之間鉗制日軍，以主力協同友軍阻擊南下之敵，令第３集團軍與前出石家莊的第１集團軍相呼應，攻擊敵之側背，以解娘子關之危。１１月６日，第１集團軍開始攻擊，連克沙河、任丘，逼近邢臺，切斷了平漢路。日軍立即集中兵力反擊，中國軍隊退至衛河南岸，與日軍隔河對峙。在津浦路的第３集團軍前進遲緩，從１１月５日開始遭到日軍多路圍攻，被迫退到黃河以南，與日軍隔河對峙。

１２月２３日，日軍一部由青城附近渡過黃河，２７日，日軍第１０師占領濟南。至此，平漢、津浦線作戰結束。

在華北三個多月的防御作戰中，中國廣大官兵發揚了守土抗戰和不怕犧牲的精神，進行了一系列的抗擊和反擊，使日軍妄圖“消滅河北省中部敵人”，“挫傷敵人的戰斗意志，獲得結束戰爭的機會”的會戰目的落空，但是沒有能夠阻止日軍長驅直入和給敵人以更大的消耗。除了技術裝備等客觀原因外，主要是由于國民政府最高統帥部實行片面抗戰路線和消極防御的方針。上層軍官指揮不力，互不支援，致使部隊常常處于被動挨打的境地。第２集團軍司令劉峙更是一戰即退，１０多天之內敗退近千里，遭到國人的譴責。