华北防御战，主要沿三条铁路线展开，一条是北平西北方向的平绥铁路，另两条是北平和天津以南的平汉铁路和津浦铁路。平绥线的作战，从８月中旬开始到１０月中旬结束，历时两个月。平汉和津浦线作战，集中于北段，自９月中旬至１２月下旬，历时三个多月。

日军占领北平、天津后，即以主力巩固平津地区，以一部兵力展开于平津以南的长辛店至独流镇一线，待国内援军到达后，再向华北内地进攻。８月５日，日军参谋部决定进行华北会战。其主要战略意图是：迅速打击河北省境内的中国军队，占据华北要地，以期根本解决华北问题。８月７日，日本中国驻屯军调整部署，确定：１．与中国军队在河北保定—沧县之线决战，主战方向为平汉铁路沿线，时间预定在９月下旬或１０月上旬。２．第５师团和独立混成第１１旅沿平绥铁路作战，进攻察哈尔、山西北部及绥远地区。

３．保定、沧县会战后，再向石家庄、德县之线追击。３１日，日军正式编成以寺内寿一为司令官的华北方面军，下辖第１、第２两个集团军、８个师团、１７个旅团和１个临时航空兵团及其他特种部队，外加关东军察哈尔派遣兵团的４个独立混成旅和２个支队，共约３７万人。

与此同时，中国军事当局面对日军即将发动的大规模军事进攻，进行了一系列的准备。８月１２日，国民党召开国防最高会议及党派联席会议，决定蒋介石为陆海空大元帅，以军事委员会为最高统帅部。２０日，国民政府颁布了《战争指导方案》和《作战指导计划》，将全国划分为５个战区，其中华北平汉、津浦铁路方面为第一战区，华北晋、绥、察方面为第二战区。这两个战区共辖第１、第２、第１４、第６、第７、第１８集团军、２４个军、５３个师另２１个旅及其他部队，共约６０万人。

为保障其侧后安全，日军首先发起了平绥铁路沿线的战斗。

８月８日，中日两军在北京西北的南口地区展开前哨战。８月１１日，日本驻屯军命令独立混成第１１旅主力在飞机、大炮、坦克火力支援下，向南口展开攻击。中国守军第８８师在南口车站等地顽强抵抗，１２日退守居庸关、八达岭一线主阵地。１３日，蒋介石令卫立煌率第１４集团军增援南口。在其后的几天里，日军多次向中国守军发动猛攻，但均被击退。战至１７日，日军第５师一部占领长城防线上的最高峰，形势急转直下。至２３日，日军分两路，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。２５日，日军在横岭和居庸关两地与中国守军激战，２６日、２７日分别占领怀来和延庆。

　　在南口前线正在激战的时候，日本关东军察哈尔派遣兵团趁机向张家口发动进攻，２６日，张家口沦陷。

日军占领南口、张家口后，于９月上旬分路南下和西进，中国守军且战且退。９月２０日，日军第５师团占领灵丘，准备突破内长城后，参加保定作战。另一路日军于１３日占领大同，１０月１３日，又占领归绥（今呼和浩特），１６日占领包头，平绥作战结束。

平绥作战中国军队的失利，使日军解除了向平汉线作战侧面的威胁，消除了其南下冀、晋的后顾之忧，为中国华北防御作战带来了不利影响。

为防御日军由平津沿铁路线向南进攻，国民政府军事委员会于８月２０日颁布了第一战区作战计划，确定其正面的主要任务是阻止日军沿津浦、平汉铁路南下，同时侧击日军对南口方面的攻击，指导计划规定第１集团军为右地区队，第２集团军为左地区队，第１４集团军为总机动部队。据此，石家庄行营于８月下旬决定，在房山至保定之间构筑三道防御阵地：第一道设于房山、琉璃河、固安一线，由孙连仲的第１军团（第２６路军）配属骑兵第１０师构筑与防守；第二道防线设于易县、涞水高碑店一线，由曾万钟的第３军构筑防守；第三道防线设在满城保定新安镇一线，由关麟征的第５２军构筑与防守。９月１４日，日军第１集团军沿平汉、津浦铁路南下，占领整个华北，是日本的既定方针。在平绥线取得进展后，日军第２０、第６、第１４、第１０师团在天津，分别占领了良乡、固安、静海附近地区。９月４日华北方面军根据日军参谋部关于进行华北会战的命令，制定了《华北会战指导方略》。方略规定将会战的重点放在河北省中部的平汉沿线，由第１集团军担任该线作战。为保证第１集团军在平汉线的作战，方面军命令第２集团军先向津浦线进攻，以保障平汉线左侧安全，命令第５师团从蔚县南下，以确保平汉线右侧安全。

９月１４日，日军第１集团军从北平附近出发，分三路向涿县、保定地区大举进犯。中国守军第１军团、第４７师、骑兵第１０师等部，依托防御阵地，顽强抵抗，但是没能阻挡日军进攻的势头。至１８日，日军已进至涿县一带，其第１４师还迂回到涿县以南地区，堵住了中国守军的退路。在此情况下，中国守军开始后撤，日军乘胜展开追击。２３日，日军开始向保定及其两侧地区发起攻击，但未能得逞。２４日，日军在炮兵火力支援下，对保定城垣再次发起攻击。在敌人的强攻下，中国守军纷纷南撤。同日，保定一带守军全部退至滹沱河南岸。至此，保定及其以北地区全陷敌手。

在日军第１集团军沿平汉铁路向保定攻击时，日军第２集团军也沿津浦铁路南犯，２４日占领了沧州。

保定、沧州失陷后，平汉、津浦铁路沿线的中国守军分别退到了石家庄和德县地区。为便于指挥，国民政府军事委员会于９月下旬重新划平汉线北段为第一战区，以程潜代理第一战区司令长官，划津浦路北段新设第六战区，以冯玉祥为司令长官，统辖第１和第３集团军，并据此调整了兵力部署。

９月２８日，日军第１集团军令所属各部向石家庄追击。１０月１日，日军第２０、第６、第１４师团和新加入战斗的第１０８师团，开始向石家庄进攻。未经大的战斗，先后占领了定县、新乐、正定、灵

丘。１０月１０日，日军第１４师团强渡滹沱河，占领了石家庄。在此期间，日军第２集团军以１个师团沿津浦线向德县进攻，以２个师团向西南推进，配合第１集团军进攻石家庄。１０月初，日军第１６、第１０９ 师团占领武强、深县、衡水、束鹿等地，逼近石家庄。１０月３日，日军第１０师团开始进攻德县。国民政府军事委员会命令两个师前往增援，但只有一个团赶到。１０月５日，德县落入敌手。

日军占领石家庄和德县后，第６、第１６、第２０、第１０９师团等部，先后分别调往上海和娘子关方面作战。第１４师等部则继续沿平汉线及其两侧向南追击，中国军队逐次撤退。１０月１９日，日军强渡漳河，遭到关麟征第５２军顽强阻击，双方伤亡重大，在丰乐、安阳间形成对峙。

１０月下旬，国民政府军事委员会再次调整兵力部署，决定第１集团军改归第１战区指挥，津浦路作战由第３集团军负责，改属第５战区，撤销第６战区，同时命令第１集团军以一部于平汉、津浦铁路之间钳制日军，以主力协同友军阻击南下之敌，令第３集团军与前出石家庄的第１集团军相呼应，攻击敌之侧背，以解娘子关之危。１１月６日，第１集团军开始攻击，连克沙河、任丘，逼近邢台，切断了平汉路。日军立即集中兵力反击，中国军队退至卫河南岸，与日军隔河对峙。在津浦路的第３集团军前进迟缓，从１１月５日开始遭到日军多路围攻，被迫退到黄河以南，与日军隔河对峙。

１２月２３日，日军一部由青城附近渡过黄河，２７日，日军第１０师占领济南。至此，平汉、津浦线作战结束。

在华北三个多月的防御作战中，中国广大官兵发扬了守土抗战和不怕牺牲的精神，进行了一系列的抗击和反击，使日军妄图“消灭河北省中部敌人”，“挫伤敌人的战斗意志，获得结束战争的机会”的会战目的落空，但是没有能够阻止日军长驱直入和给敌人以更大的消耗。除了技术装备等客观原因外，主要是由于国民政府最高统帅部实行片面抗战路线和消极防御的方针。上层军官指挥不力，互不支援，致使部队常常处于被动挨打的境地。第２集团军司令刘峙更是一战即退，１０多天之内败退近千里，遭到国人的谴责。