日本侵略軍兵分二路，一路直撲龍王廟，另一路從東麵進攻宛平城，日軍企圖迅速攻占兩地，進而占領盧溝橋和鐵路橋。進攻龍王廟的日軍排成四路縱隊，手持上了刺刀的步槍，殺氣騰騰地直撲龍王廟。龍王廟的中國守軍約兩個排，1排排長申仲明挺身而出，迎著日軍的槍口走上前去，以理阻止前進。日軍突然開槍，申排長當即重傷倒地。中國士兵們早已對日軍恨之入骨，日軍的突然襲擊激起了士兵們的極大義憤，在另一位排長的指揮下，士兵們拿起武器，向敵人射出一排排仇恨的子彈。不久，敵人衝上了陣地，士兵們揮起大刀，與敵人展開了激烈的拚殺。陣地上刀槍相撞，殺聲連天，血肉橫飛。士兵們雖拚死戰鬥，但由於寡不敵眾，大部分壯烈犧牲。龍王廟遂落入日軍手中。
另一路日軍，先以大炮猛烈轟擊宛平城，隨後在炮火掩護下，向宛平城發起衝擊。城上中國守軍以城垣為依托，待日軍進入有效射程後，再以猛烈的火力在短距離內消滅敵人，一次次擊退了日軍的進攻。傍晚時分，日軍再次向宛平城發起進攻。在猛烈炮火轟擊後，日軍以9輛坦克為先導，掩護步兵向中國守軍猛攻。此時，宛平城內早已被炸成一片廢墟，城內守軍僅有1個連的兵力，但士兵們人人鬥誌旺盛，個個抱定誓與城共存亡的決心，依靠手中的手榴彈、步槍等簡陋武器，激戰3個多小時，終於擊退了敵人的進攻。
入夜之後，219團團長吉星文為奪回白天被敵人占領的陣地，組織了大刀突擊隊，用繩梯悄悄墜出城牆，以莊稼地做掩護，沿永定河岸無聲無息地逼近日軍占領的鐵路橋。午夜12時，大刀隊突然衝向敵人陣地，士兵們齊聲呐喊，舉刀砍殺，鐵路橋上刹時殺聲震天，刀光飛舞。日軍遭此突襲，頓時張惶失措，東逃西竄。大刀隊則越戰越勇，一個年僅19歲的年輕士兵，揮舞大刀，連續砍殺13名侵略軍，還生擒一人，自己也壯烈犧牲。戰鬥一直持續到次日淩晨，侵占鐵路橋的日軍幾乎被全殲於橋上，鐵路橋陣地再次回到中國軍隊手中。
激烈的戰鬥時斷時續，一直持續到7月10日。7月11日，中日雙方在北平達成3項停戰撤軍協議。中國軍隊開始遵協議撤退。
日軍方麵一邊以和談為緩兵之計，一邊將關東軍2個旅團、駐朝鮮的1個師團、國內的3個師團派往華北，又將18個中隊戰鬥機編為臨時航空兵團，從國內派往山海關、錦州、大連。到7月中旬，平日在平津一帶的兵力已達10萬人，並完成了對平津的戰鬥部署。7月25日，日軍連續在北平西郊發動攻擊。26日，日軍強占廊坊，切斷了北平與天津的聯係，並企圖派兵進入北平城，與中國守軍發生戰鬥。當日日軍向29軍發出最後通牒，限29軍37師於28日正午前退出北平附近地區。未等中國方麵答複，日軍便於28日早晨對北平發動總攻。29軍奮起反擊，在南苑等地與日軍激戰，副軍長佟麟閣和132師師長趙登禹在激戰中殉國，成為抗戰以來最先殉國的高級將領。
為配合29軍保衛北平，盧溝橋守軍在何基灃、吉星文等將領率領下，主動向駐所在豐台車站的日軍出擊。他們設計將日軍引出車站陣地，然後集中優勢兵力加以包圍殲滅，並奪回豐台車站。然而局部的勝利已無法扭轉整個戰局的失敗。29日，北平淪陷。北平失守後，堅守盧溝橋已毫無意義。30日深夜，盧溝橋的保衛者眼含熱淚，離開了浴血奮戰20多天的盧溝橋，懷著滿腔的悲憤，與29軍餘部一同撤出了北平地區。30日，天津也落入日軍的鐵蹄之下。
盧溝橋事變的第二天，中共中央向全國發布通電，揭露了日本帝國主義妄圖用武力侵占平津和華北的陰謀，指出中華民族已到危急關頭，疾呼全國同胞實行全民族抗戰，號召全國人民武裝保衛平津、保衛華北，不讓日本帝國主義占領中國寸土。國民黨愛國將領及地方人士也紛紛發表通電，主張堅決抗戰。許多民眾團體及文化界人士也積極支援前方抗戰部隊。7月17日，國民黨軍事委員會主席蔣介石發表“廬山談話”：“地無分南北，年無分老幼，無論何人，皆有守土抗戰之責任。”表明了南京政府的抗戰立場。中國曆史從此進入了八年抗戰的艱苦歲月。
盧溝橋事變是日本帝國主義大舉進攻中國的開始，也是中國全民族抗戰的開端。