日軍於7月30日分別攻占北平和天津以後，按照其速戰速決的戰略方針，集中了其華北方麵軍所轄第一、第二集團軍的8個多師團30餘萬兵力，沿平綏、平漢、津浦鐵路線三路進攻，以平漢線為主要進攻方向，企圖迅速奪取華北五省。
9月16日，沿平綏路推進的日軍第五師團第二十一旅團占領了渾源，20日又占領靈丘，向平型關逼迫，準備由此突破長城防線。在八路軍總部的決策下，進至平型關附近集結的八路軍一一五師決心利用平型關東北—條狹窄穀地，抓住日軍驕橫、疏於戒備的弱點，以伏擊手段出敵不意地殲滅由靈丘向平型關進犯之敵。9月22日，日軍的先頭部隊向平型關進犯，並占領東跑池地區。24日深夜，一一五師冒雨隱蔽地開進平型關東北的預定伏擊地域，按部署展開，做好戰鬥準備。第二天清晨，日軍第二十一旅團一部和大批輜重車輛進入我伏擊圈，遭到我軍的猛烈伏擊，敵人被打得措手不及，亂成一團，相互踐踏，並就地負隅頑抗，被我軍分割包圍於小寨村至老爺廟之間。日軍向平型關增援之敵，遭到我阻擊部隊的堅決抗擊，不能前進一步；進至東跑池之日軍一部企圖回援，也遭到我軍阻擊。戰至中午，被圍日軍被我軍全部殲滅。隨後我軍又向東跑池地區日軍展開進攻，由於國民黨軍隊配合不力，使敵向西北方向突圍，我軍主力遂撤出戰鬥。
平型關戰役是我八路軍開赴抗日前線後首次集中兵力對日軍進行的一次成功的伏擊戰，經過一晝夜的激戰，殲滅日軍1000餘人，擊毀敵軍汽車100餘輛、馬車200餘輛，繳獲大批武器彈藥和軍用物資。平型關大捷，沉重地打擊了日軍的瘋狂氣焰，振奮了中國抗日軍民的鬥誌，顯示了中國共產黨和八路軍的抗日決心，迫使日軍向平型關方向增調兵力，有力地支援了平漢鐵路等方向的國民黨軍隊作戰。
1937年10月1日，日軍突破山西北部中國軍隊的內長城防線後，其第五師團和察哈爾派遣兵團欲沿同蒲路南下奪取太原。為了保衛太原，國民黨第二戰區司令長官閻錫山決定在晉北通往太原的門戶——同蒲路上的忻口地區組織防禦，構成保衛太原的最後防線。國民黨第二戰區前敵總司令衛立煌將到達忻口的部隊編為3個兵團：以劉思茂指揮第十五、第十七、第三十三軍為右翼兵團，以郝夢齡指揮第九、第十九、第三十五、第六十一軍為中央兵團，以李默庵指揮第十四軍等為左翼兵團，展開於忻口以北的山地，準備迎戰敵人。13日，日軍5萬餘人開始向忻口一線守軍陣地展開猛烈進攻，並將進攻重點放在中央兵團防守的南懷化陣地。在敵人飛機、坦克的轟擊下，南懷化陣地工事被毀，守衛陣地的第九軍所轄五十四師、獨立第五旅傷亡慘重，陣地被日軍突破。我軍又組織反擊，雙方反複爭奪，激戰數日，南懷化以南日軍大部被殲。守軍也傷亡5000餘人，第九軍軍長郝夢齡、五十四師師長劉家麒、獨立第五旅旅長鄭廷珍均壯烈殉國。29日，日軍又發起全線進攻，雙方激戰後呈膠著態勢。由於日軍調兵沿正太路西進，威脅太原，也嚴重威脅了晉北中國軍隊的側後，11月1日，閻錫山下令忻口守軍全線撤往太原。
11月5日，日軍從東麵和北麵逼近太原，7日以強大的火力開始強攻太原的東城和北城。由於原定在太原東、北城郊實施防禦的部隊南撤，太原城守較為空虛，主力僅有傅作義所部第三十五軍。戰至8日，日軍已突破多處城防蜂擁入城，傅作義遂下令守軍棄城突圍，9日，太原失陷。
在日軍側後與後方作戰的八路軍同期先後取得了雁門關伏擊戰、陽明堡夜襲戰、七亙村伏擊戰、黃崖底伏擊戰、廣陽伏擊戰等多次戰鬥勝利，共殲敵1萬餘人，有力地配合了正麵防禦。
至11月中旬，日軍已控製了平綏鐵路全線，安陽以北的平漢路以及，濟陽以北的津浦路，也就是控製了華北的主要交通線。
日軍在華北展開瘋狂的進攻的同時，也在華東對上海發動了進攻，企圖攻占這個中國工商業和國際貿易中心。8月13日，駐滬日軍數千人在第三艦隊司令官穀川清的指揮下，分別向寶山路、八字橋、天通庵路發起進攻，被中國守軍第八十八師擊退。8月15日，蔣介石將滬杭地區劃為第三戰區，任命馮玉祥為司令長官，顧祝同為副司令長官，指揮淞滬戰場。同日，日軍成立上海派遣軍司令部，以鬆井石根大將為司令官，指揮由日本國內新調來華的第三、第十一兩師團於23日先後從張華濱，川沙口一帶強行登陸，向寶山、羅店等地發起進攻，企圖控製京滬鐵路。國民黨第九、第十五集團軍與登陸之敵展開激戰。9月11日，日軍又將第九、第十三、第一〇一師團增援至戰場，編入上海派遣軍序列。至9月18日，日軍先後攻占吳淞、寶山、楊行、月浦，中國守軍退至北站、江灣、廟行一線。9月21日蔣介石親自兼第三戰區司令長官，以朱紹良為中央作戰軍總司令，下轄第九、第十七集團軍；以陳誠為左翼作戰軍總司令，下轄第十五、第十九集團軍；以張發奎為右翼作戰軍總司令，下轄第八、第十集團軍。投入的總兵力達40餘萬人，約占國民黨政府軍事委員會能夠指揮的總兵力的三分之一。9月底，中國軍隊退至蘊藻浜南岸陣地，並新增第二十一集團軍，以大場為中心與日軍展開反複激戰。10月26日，大場失陷，中國守軍全線後撤。第八十八師師第五二四團部分官兵在謝晉元副團長的指揮下，據守閘北四行倉庫，誓死不退。11月5日拂撓，日軍由第六、第十八、第一一四師團組成的第十軍，在杭州灣北側登陸，向上海實施側後迂回。在此情況下，蔣介石下令中國軍隊向福山、常熟、蘇州、吳江一線陣地轉移。11月12日，上海淪入口軍的魔爪。
淞滬戰役曆時3個月，雙方投入大量兵力，戰鬥異常激烈，日軍傷亡4萬多人，中國軍隊也傷亡巨大。淞滬戰役粉碎了日本侵略者妄圖3個月滅亡中國的幻想，打亂了日軍“速戰速決”的部署，由於國民黨政府推行片麵抗戰的政治路線和單純防禦的軍事路線，再加上敵我雙方在武器裝備上的差距，造成了淞滬戰役的失利。