在北平激战的时候，驻守天津的宋哲元军第三十八师一部，在副师长李文田的率领下，偕同天津保安警察部队，向日本驻天津各机关和租界发动进攻。李文田和副指挥刘家鸾等人发出通电：“誓与津市共存亡，喋血抗战，义无反顾。”
中国军队一度攻占了北仓飞机场和日军驻守的车站，逼近日租界的海光寺营房。日军增援部队很快赶到，在战车和飞机掩护下，向中国军队反扑，总车站和南开大学校舍等处大半毁于战火。中国军队寡不敌众，血战一昼夜后，放弃天津，向马厂撤退。
日军占领了北平和天津，派部分兵力南下，在长辛店至独流镇一线展开，等待国内援军到达，进攻华北内地。8月5日，日军参谋部决定进行华北会战。日军正式编成华北方面军，由寺内寿一大将任司令官，下辖两个军，八个师团，十七个旅团，一个临时航空兵团及其他特种部队，外加关东军四个独立混成旅团和两个支队，共约三十七万人。
中国方面，国民政府军事委员会派傅作义的第七集团军一部向平绥铁路东段的张家口和南口地区集中，准备迎击日本关东军和中国驻屯军；派刘峙的第二集团军向保定和石家庄一线集结，其中孙连仲的第二十六路军在琉璃河与马头镇地区展开防御，准备迎击北平方向日军的南攻；派宋哲元的第一集团军在津浦路北段地区展开，准备迎击天津方向南下的日军。两个战区共六个集团军，二十四个军，五十三个师另二十一个旅，还有其他部队，约六十万人。
在平绥铁路沿线，汤恩伯的第十三军在8月7日早晨全部进入南口地区阵地，第二天和日军展开前哨战。
香月清司的中国驻屯军焦急地等待着与中国军队进行华北决战，而关东军则奉命进攻内蒙境内和长城以南地区。香月清司见关东军抢先动手，也对北平西北方的南口一带战略腹背发动进攻。香月的企图，一方面是想解除受到中国军队夹击的威胁，另一方面是想阻止关东军扩大战区抢功。他命令坂井德太郎的混成第十一旅团主力在11日向南口展开攻击，并以飞机、大炮和坦克提供火力支援。汤恩伯军第八十九师在南口车站和龙虎台高地顽强抵抗，第二天退守长城要隘居庸关和八达岭一线主阵地。
13日，卫立煌的第十四集团军经过平西山地增援南口。由于汤恩伯军已经学会了对付日军在空中掩护下的进攻，又抢先控制了地形险峻的南口一带要地，把握了战场优势，发起主动灵活的逆袭战，打得坂井旅团转攻为守。坂井旅团攻不下汤恩伯军的阵地，反而受困待援。香月接到战报，大吃一惊，他的部队刚刚打败宋哲元的部队，建立了无往不胜的形象，经不起失败的挫折。他立刻派出精锐的板垣征四郎第五师团于16日驰援坂井旅团。
17日，板垣师团一部占领了长城防线上的最高峰一三九○高地，主力向守军右翼镇边城迂回，严重威胁守军阵地。18日，傅作义奉命率部增援怀来，第二天与日军争夺空前激烈，反复冲杀，守军一天之内就伤亡一千二百多人。日军突入居庸关南门，又被守军击退。
香月没有料到，汤恩伯军越战越勇，尽管板垣师团在火力上具有明显的优势，但是守军将士不肯后退一步，板垣师团的攻势进展非常缓慢。19日，汤恩伯下令调整部署，将得胜关、居庸关和镇边城一带划分为三个固守区，由第八十九师、第二十一师、第四师和第七十二师一部分别固守。
正在这时，关东军参谋长东条英机组成了察哈尔派遣兵团，在20日从内蒙的多伦入侵平绥铁路沿线，准备截断汤恩伯军的补给线，并控制整个内蒙，因此华北战线的抗战，首先在平绥一线展开。傅作义奉命率两个旅从下花园回援张家口。北上增援的卫立煌部于21日推进到门头沟西北三十公里的傅家台和千军台一线，日军谷寿夫第六师团牛岛支队已占领阻击阵地。卫立煌的部队前进受阻，侧后又受到川岸文三郎第二十师团威胁，于是采取守势。
中国守军和援军被日军隔断，陈长捷的第七十二师各部在长城峪、灰岭子和镇边城等地与日军反复争夺，孤立无援，日军在23日攻占了镇边城。板垣命令部队施放毒气，香月又调派关龟治第二混成旅团支援板垣师团，于是在南口发生更激烈的血战。华北驻屯军又调来飞机、重炮和坦克等攻坚重兵。日军兵分两路，一路西进怀来，一路向东北方向包抄长城正面守军前沿阵地。两军血战八昼夜，到24日，汤恩伯军伤亡过半，仍然守住了居庸关到八达岭一线的战略高地。
但是，东条英机的关东军兵团在这时顺利突破了察哈尔的长城防线，攻占了平绥铁路的重要车站张家口等地，威胁到汤恩伯军补给线的安全。蒋介石电令在河北中部布防的卫立煌集团军设法绕道山西和察哈尔边界，驰援汤恩伯军。可惜援军进展缓慢，无法如期赶到。傅作义和刘汝明的部队在察哈尔和山西边境所设的防线，已被东条英机的部队突破，汤恩伯军为了避免被日军包围，27日奉命从南口一带战略要地撤退。
日本中国驻屯军先后占领怀来和延庆，打通了平绥铁路，与关东军会师。南口战役结束。