1933年1月1日23時左右，日軍守備隊長落合經過陰謀策劃，在榆關憲兵分遣隊和守備隊派出所前麵，製造了手榴彈爆炸事件。事發後，落合一麵派人向何柱國提出抗議，一口咬定係何部所為，一麵借機指揮部隊向南關和車站進攻，並電關東軍和天津駐屯軍司令官請援。當晚來攻日軍均被中國守軍擊退。為對付日軍的進攻，臨永警備司令部立即命令榆關守軍步兵第9旅之第626團火速出動，封鎖城關四門；第625團以主力位於九門口、石門寨一線，掩護榆關左側翼；第627團主力位於海陽、秦皇島一線，掩護榆關右側翼。令駐撫寧的騎兵第3旅、灤縣的步兵第20旅等部，準備待命行動。
2日9時，日軍守備隊30餘人用木梯攀登南關城牆，被中國守軍擊退。10時許，由前衛開來的日步、炮兵3000餘人，在飛機、火炮和坦克支援下，企圖從南門突破。中國守軍沉著應戰，至17時許，日軍不支而去。
3日10時，日軍增援部隊加入戰鬥，在飛機、軍艦和坦克的掩護下，向東南城角和南門附近發起重點進攻。中國守軍以步機槍、迫擊炮和手榴彈頑強抗擊。經過激烈爭奪，雙方互有勝負。至14時，日軍發起總攻，炮火更加猛烈，城內多處起火，東南城角、南門、西南水門均有激戰。南門守兵悉數戰死，日軍坦克趁勢闖入。中國守軍安德馨營長率兩個班奮勇堵擊。廝殺之中，砍死敵數十人，後因頭部中彈，英勇犧牲。同時，東南城角和東北城角亦陷敵手。團長石世安曾多次組織反擊，均未奏效，遂率餘部於15時由西水門向石河舊岸之線撤退。至此，榆關被日軍占領。4日，日軍又攻占五裏台，10日，再占九門口。
盡管榆關戰鬥隻堅持了3天，中國守軍第9旅以一團之眾不足2000人，與日本陸海空相配合的強敵3000餘人激戰，官兵傷亡過半，但在中國抗日戰爭史上卻占有一定的地位。它是國民黨軍在華北地區第一次違背蔣介石的不抵抗命令，以武力抗擊日本侵略者的民族自衛戰，表現了中國愛國官兵守土抗戰的精神，打擊了日軍不可一世的侵略氣焰，振奮了民族精神，促進了全國的抗日救亡運動。此戰打響了長城察哈爾抗戰的第一槍，揭開了華北抗戰的序幕。
日軍攻占榆關之際，正值國際聯盟開會之時，因而引起與會各國的強烈反響。美國反對日本擴大戰爭的行為，蘇聯也表示不滿。在這種情況下，日本一麵由外相內田向美、英、法、蘇、意等國駐日大使聲明，事態“不再擴大”，一麵加緊侵熱準備，等待國聯開會結果。日方除了繼續製造侵熱輿論外，還調動軍隊進行侵熱軍事部署。
關東軍於1933年1月28日發出關於作戰準備的命令。2月10日，又召集有關各兵團主任會議，宣布進攻計劃。2月17日正式下達進攻命令。作戰方針是：首先進攻熱河東北部，把中國軍隊牽製於熱河北部；接著向熱河南部進兵，把熱河與河北隔斷；然後將熱境的中國軍隊壓向西麵或西南麵而聚殲之。
日軍準備把戰火引向熱河的行動，引起了全國人民的關注。蔣介石政府迫於國內外輿論的壓力，先後派代理行政院長兼財政部長宋子文、軍政部長何應欽、外交部長羅文幹、內政部長黃紹竑等到北平“救火”。2月12日，宋子文對北平新聞記者發表談話表示：“熱河為中國整個之一部分，正如廣東、江蘇省然，攻擊熱河，不啻攻擊首都。日本若實行攻擊，則吾人將以全國之力對付之。”18日，宋子文偕張學良到熱河視察。在歡迎會上，宋對熱河守軍說：“本人代表中央政府，敢向諸位擔保，吾人決不放棄東北，吾人決不放棄熱河，縱令敵方占我首都，亦無人肯作城下之盟。”張學良要求大家誓守熱河，以雪“九一八”之恥。湯玉麟亦發誓“矢誌守土”。同日，27名華北軍將領由張學良領銜從承德發出通電：“時至今日，我實忍無可忍，唯有武力自衛，舍身奮鬥，以為救亡圖存之計”，呼籲全國一致支援。報紙一時廣為宣傳，人們曾以為熱河從此有望，然而結果卻是令人失望。
麵對日軍既占榆關、圖熱益急的情況，北平軍分會製訂了熱河防禦計劃。其作戰方針是：“華北軍以捍衛疆土收複失地之目的，務需確保冀熱，鞏固平津，以為將來進出遼河流域之根據。集中主力於冀、熱東部及平津、察南一帶，對由河北沿海登陸及自熱河方麵侵入之敵，預期各個擊破之，並乘機東進，向遼西平原轉取攻勢。”此時，華北軍已編成8個軍團和一個預備軍團。其中直接擔任熱河防守任務的有第4軍團萬福麟部所屬第53軍6個師，第5軍團湯玉麟部所屬第55軍一個師，4個旅，第6軍團張作相部所屬第41軍3個旅和第63軍及挺進軍等，共約8萬人。對熱防禦作戰的部署是：除以第1軍團確保津塘、第2軍團確保灤東、第3軍團確保冀北、第7軍團確保察東、第8軍團及預備軍團集中於北平附近外，在熱河境內劃淩南、淩源、平泉到承德的公路以南為第1集團軍防區；以北為第2集團軍防區。前者主要由萬福麟率第4軍團6個師擔任，後者由張作相、湯玉麟分別率第5、第6軍團擔任。海軍以主力擔任青島以北海麵警戒，航空隊臨時分配之。