德軍越過邊界後，荷蘭和比利時才收到內容相同的德國照會。照會指責兩國違反中立法，針對德國加修工事和部署兵力，聲稱德國政府不願坐等英法的進攻，不能允許它們通過比利時和荷蘭向德國采取軍事行動。
5月10日，荷蘭和比利時駐柏林公使，試圖把抗議德軍入侵的照會交給德國外交部，但遭拒絕。荷蘭女王威廉明娜在當天發表聲明，“對這一史無前例的背信棄義和破壞文明國家之間一切正當關係的行為提出憤怒抗議。”
荷、比兩國在遭到德軍入侵後，迅速向英法求援。甘末林將軍命令英法聯軍立即按“D”計劃向比利時機動。其中，法軍第7集團軍進至安特衛普附近地域後應繼續向荷蘭布雷達地區開進。
5月10日淩晨，德軍從地麵和空中同時向荷蘭發起進攻，德軍第18集團軍主力以第9裝甲師為先導，向馬斯河河口方向實施主要突擊，一部兵力向阿姆斯特丹方向實施輔助突擊，迅速占領荷蘭東北各省，並於當日突破佩爾防線，迫使荷軍退守荷蘭要塞。爾後，德軍向須德海與北海間的堤壩發起進攻，以開辟通往阿姆斯特丹的道路，但未得手。
同日，德軍空降兵約4000人分批在海牙、鹿特丹和穆爾代克附近實施空降。著陸後，德軍一部占領海牙附近3個機場，後向海牙進攻，但被荷軍擊退，另一部兵力出其不意地攻占穆爾代克地域的馬斯河大橋和多德雷赫特地域的瓦爾河大橋，從南麵突入“荷蘭要塞”，割裂了荷軍部署，荷軍多次反擊未能奏效。
應荷蘭請求，法軍第7集團軍沿英吉利海峽兼程前進，於5月11日下午抵達蒂爾堡，後因缺乏空軍支援，並遇德軍阻擊，撤至布雷達。荷軍請求該集團軍對攻占馬斯河大橋的德軍實施反擊，遭法軍拒絕。這樣，德軍第9裝甲師順利通過馬斯河和瓦爾河大橋，於I3日逼近鹿特丹。
在此之前，鹿特丹附近萊克河的幾座大橋亦被德國傘兵攻占，但荷軍在大橋北側組織防禦，遲滯了德軍進攻。5月12日晚，荷軍總司令溫克爾曼通知荷蘭女王及內閣大臣，已沒有希望頂住德軍的進攻。5月13日，威廉明娜女王攜幾個內閣大臣登上一艘英國驅逐艦逃往倫敦。臨走時，女王授權溫克爾曼將軍作為全權代表在適當時機宣布投降。
1940年5月15日，荷軍總司令亨利·捷哈德·溫克爾曼要求部下放下武器宣布投降。14日晨，希特勒發出第11號指令：“在北翼，荷蘭陸軍的抵抗力比原來設想的要強些。政治和軍事上的原因，要求在短期內粉碎這種抵抗。”陸軍的任務是，以足夠的兵力從南麵和東麵聯合進攻，並迅速摧毀“荷蘭要塞”。為此，希特勒從比利時方向調來一些航空兵，加強對荷蘭方向的進攻。
根據希特勒的指令，德軍一麵調整部署，一麵進行武力恫嚇，逼迫鹿特丹的守軍投降，聲稱如不投降，德軍就要轟炸該市。為保存實力和讓城市免遭轟炸，荷軍決定停止抵抗。就在這時，德軍對鹿特丹的轟炸開始了，該市變成一片火海，2500幢房屋被摧毀，800餘人死亡，數千人受傷，7～8萬人無家可歸。
在德國空軍狂轟濫炸和地麵部隊的進攻麵前，鹿特丹守軍投降。5月14日黃昏，荷軍總司令溫克爾曼將軍命令全軍放下武器，次日上午11時，他作為荷蘭政府的全權代表在無條件投降書上簽字，僅5天時間，荷蘭就被德軍征服。
5月10日5時30分，德軍對比利時發動突然襲擊。8時30分，德國駐比利時大使向該國外交部遞交照會，聲稱，為了在西方大國入侵比利時、荷蘭、盧森堡前先發製人，德國政府“被迫”用武力來“保證”它們的中立。德國政府建議，比利時應為自身的利益著想，停止一切抵抗，德國將保證比利時在歐洲和在殖民地的領土完整，否則比利時將喪失獨立。比利時政府對德國的戰爭威脅和侵略提出強烈抗議，決心保衛自己國家。
與入侵荷蘭一樣，德軍對比利時的進攻也采用了地空協同。第6集團軍迅猛突破比利時的邊防線，渡過馬斯河及其以西的阿爾貝特運河南段，給英法聯軍造成這裏是德軍主攻方向的假象。與此同時，300名德國空降兵悄悄在阿爾貝特運河附近著陸，不等比軍按動電鈕炸橋，就搶占了運河上的3座大橋。