28日，在香月清司指揮下，日本中國駐屯軍開始向北平附近的第29軍發起總攻。日軍從東、南、北三麵突然向南苑兵營發起攻擊。由於中國駐軍倉促應戰，再加上戰前營區周圍沒有構築堅固工事，守軍隻能憑借營區圍牆，進行頑強抵抗。日軍在飛機和火炮大力支援下，反複向營區發動猛攻。經過5個多小時的激戰，日軍攻占南苑。
28日，與主攻南苑相配合，日軍也分別向西苑、北苑和黃寺等地的第29軍展開進攻。28日23時，宋哲元任命張自忠代理冀察政務委員會委員長兼北平市長，自己離平去保定。北平城內及其附近的第29軍主力亦開始向涿縣方向撤退，另一部則向南口方向突圍。29日，北平遂告淪陷。
日軍集中主力進攻北平時，天津兵力空虛。中國第29軍駐天津之第38師一部，在副師長李文田指揮下，於7月29日晨乘隙向天津日軍發起進攻，並襲入東局子飛機場，攻占了天津火車總站和東站。日本駐屯軍司令官聞訊後，立即抽調北平第20師一部和關東軍堤支隊增援天津，並以臨時航空兵團對天津守軍及和平居民進行狂轟濫炸。在日軍猛烈反擊下，中國軍隊傷亡不斷增加，遂於30日撤至馬場方向，天津終陷敵手。
“七·七事變”日軍占領平津後，日本陸軍準備把戰爭擴展到全華北之際，日本海軍搶先一步，點燃了上海的戰火，把戰爭由華北擴展到了華中。
其實，早在7月12日，日本海軍軍令部就製定了對華作戰的秘密計劃，確定第一階段配合陸軍進行華北作戰，第二階段在陸軍配合下進行上海作戰，並進而把戰爭擴展到華中和華南。7月16日，駐上海日本海軍第3艦隊司令官長穀川清發現軍部的上述意圖後，立即上書東京陳述《對華作戰用兵的意見》。
7月28日，日本當局下令撤退長江沿岸的日僑。8月8日，又要求第3艦隊做好開戰準備。
8月9日18時30分前後，駐上海日本海軍陸戰隊中尉大山勇和水兵齋藤要藏，驅車衝進上海虹橋機場警戒線內挑畔，中國保安隊阻止無效，將他們當場擊斃，史稱“虹橋事件”。
日本當局立即利用這一事件大作文章，要求中國政府撤出上海保安隊，拆除一切防禦工事。8月10日，日本陸海軍緊急磋商，向上海派兵，並得到內閣的同意。
8月13日9時，日本內閣會議正式確認了派兵上海的方針，並批準了陸軍省的派兵案。當天上午，日本海軍陸戰隊在上海北站和北四川路之間同中國駐軍發生武裝衝突。日軍以虹口日租界為依托，先向天通庵、橫浜路一帶發起進攻，接著以主力向寶山路、八字橋、天通庵進攻，均被中國軍隊擊潰。於是，“八·一三”上海事變爆發。
8月14日，中國國民政府發表《自衛抗戰聲明書》，指出：“中國為日本無止境之侵略所逼迫，茲已不得不實行自衛，抵抗暴力。”並調集陸軍和空軍投入自衛戰鬥。同一天，日本海軍還派海軍航空兵轟炸了華中地區的杭州、南京和南昌等城市。
8月14日晚，日本內閣召開臨時緊急會議，內閣成員要求進行全麵對華戰爭，迅速建立戰時體製，正式對華宣戰。8月15日，日本發表了《帝國政府聲明》，聲稱：“為了懲罰中國軍隊之暴戾，促使南京政府覺醒，如今不得不采取斷然措施。”還稱：此舉是為了“消滅類如此次事變所由發生之根源，並達到日、滿、華三國融合和提攜”之目的。這個聲明，“把處理事變的目的，從解決局部事件擴大到全麵地、根本地處理調整日華關係。”它表明日本政府即使進行“全麵戰爭也在所不辭”。
8月15日，日陸軍參謀部還下令實行第三次動員，並下令組建了以鬆井石根為司令官的上海派遣軍，要求其迅速開赴上海作戰。8月18日，天皇裕仁召見陸海軍兩總長，提出了重點用兵，迅速結束戰爭的方針。陸海軍省、部之間經過協商，決定陸軍以華北為主戰場，海軍以華中為主戰場，並對沿海實行封鎖，切斷中國的對外經濟聯係。8月下旬，日本從國內抽調的增援部隊相繼運抵華北和上海前線，並開始投入當地的作戰。
8月24日日本內閣四相會議決定，以天皇在第72屆臨時議會開幕式上的敕語代替宣戰詔書。9月2日，日本內閣會議在討論施政方針時，鑒於戰爭已由華北擴展到了華中，遂決定將“華北事變”正式改稱“中國事變”，並於同日宣布。至此，中日戰爭已在華北和華中戰場全麵展開。