中國駐軍再三交涉，日軍拒不退出廊坊，雙方發生衝突。香月清司7月26日下令日軍進攻廊坊。日軍在幾十架飛機掩護下猛烈進攻，營房被敵人炸成廢墟。中國守備部隊奮起還擊，後來奉命撤退。中國軍隊眼睜睜看著廊坊車站被日軍強占。這就是“廊坊事件”。
7月26日下午2時，日軍華北駐屯軍第2聯隊第2大隊長廣部帶領日軍500餘人，從天津經廊坊到達豐台，又換乘26輛大卡車開往北平。下午7時抵達廣安門，謊稱是日本總領事館車隊野外演習歸來，橫衝直撞要進北平城，被中國守軍關閉城門拒絕。狂傲的日軍竟擺出攻城架勢。宋哲元指示中國守軍備戰迎敵。中國守軍為誘敵深入慢慢打開城門，日軍蠻橫地一擁而入。中國軍隊上前阻攔，日軍輕狂動武。中國守軍憑借有利地形猛烈開火，殲滅大量敵人。這就是“廣安門事件”。
這下香月清司總算抓到了把柄。他利用日軍製造的“廊坊事件”和“廣安門事件”，叫嚷擴大戰爭的時機已經到來，7月26日晚向宋哲元提出最後通牒，限定37師於48小時內撤出北平，否則就要進攻北平城。
不等中國方麵正式答複，7月27日，日軍參謀本部便經裕仁天皇批準，下令向中國第29軍發動攻擊，並下令從日本國內增派3個師團到華北參戰。日軍從7月27日3時開始，首先向通縣的中國守軍發動進攻，騎兵也在日本飛機掩護下進攻團河。中國軍隊奮起應戰，但日軍炮火猛烈，中國守軍節節失利，損失慘重。到當日中午，通縣、團河均陷敵手。
7月28日上午8時，香月清司指揮華北日軍在航空兵團的配合下，分別向駐守北平的北苑、西苑、南苑的中國第29軍發動猛烈進攻。南苑是北平的門戶，為通往北平的咽喉要道。日軍企圖先控製南苑，借此控製北平南郊，再長驅直入永定門，占領北平。宋哲元派師長趙登禹為南苑方麵指揮官，嚴陣以待。香月清司知道中國指揮官是當年夜襲喜峰口的趙登禹，不敢貿然直接進攻，先派飛機狂轟濫炸，再用炮兵轟擊，然後指揮步兵從東麵、南麵同時發起進攻，另派一部日軍切斷南苑至北平的公路交通。霎時間，南苑陣地上硝煙升騰，大火熊熊燃燒，日軍步兵趁機攻了上來。趙登禹指揮部隊從戰壕中躍出，與日軍展開肉搏戰，敵我相持不下。趙登禹親自率領一個團的生力軍投入戰鬥，殺退日軍，不料大批日軍衝來，敵眾我寡，趙登禹率部奮戰，光榮犧牲；副軍長佟麟閣英勇衝殺，光榮殉國。中國守軍腹背受敵，不得不奮戰突圍而出，南苑淪入敵手。
日軍占領南苑、北苑、西苑、沙河、清河，控製了北平周圍要地後，在7月28日下午1時命令北平特務機關長鬆井太久郎向宋哲元轉達敦促書，聲稱“為使北平城內免遭戰禍，敦勸立即將全部部隊撤離北平城”。在大敵壓境的情況下，宋哲元當晚派人到日本駐北平特務機關告訴鬆井太久郎，願意接受日方的“敦勸”，然後偕秦德純、馮治安，率38師4個團由西直門出城，經三家店奔長辛店，撤往保定。日軍7月29日兵不血刃由正陽門開入北平城，並舉行了入城儀式。
日軍剛占領北平，就接到通州冀東保安隊反正的消息。通州是日軍進攻北平的重要據點。日本人在通州建立了以殷汝耕、池宗墨為首的“冀東防共自治政府”，下轄5個保安總隊，裝備精良。“七七事變”後保安隊的第一、第二總隊長張慶餘、張硯田7月28日聯名通電全國，宣告起義，活捉大漢奸殷汝耕，擊斃日軍駐通州的特務機關長細木繁，消滅駐通州日軍、憲兵、特警等700餘人，大長了中國人的誌氣。
與此同時，日軍向天津發起攻擊，駐守天津的38師副師長李文田率領該師114旅和市保安隊奮勇還擊，順利奪回天津車站，炮擊日軍司令部，包圍天津日軍機場，給日本侵略者以沉重打擊。日本駐天津總領事向日本駐北平使館發出的求救電承認：“由於中國方麵的攻擊，我方處於極為危懼的狀態。”
香月清司大驚，7月29日責令日軍第20師團高木支隊迅速增援天津，關東軍司令官植田謙吉也命原計劃向承德進發的堤支隊轉赴天津。7月30日，大批日軍在大沽登陸，分三路包圍天津，與中國軍隊展開激戰。中國軍隊奉令撤退，日軍遂於當天占領天津。至此，日本帝國主義發動全麵侵華戰爭的第一個戰役——平津戰役遂告結束。