三路出击
相继占领北平、天津之后，集结在京津地区的日军稍作休整，就开始沿着津浦、平汉、平绥三条铁路线向前推进。沿津浦路方向的作战，是为了策应对上海、华东等地的作战；沿平汉路南下目的是夺取中原，进逼华中地区；沿平绥路西进，为的是占领山西、绥远。总体目标是控制整个华北，其志不在小也。
1937年8月10日，陆军参谋本部下令将驻扎在平津地区的日军统一整编为华北派遣军，由寺内寿一陆军大将出任司令官。派遣军下设两个军：第一军司令官香月清司中将，下辖第六师团、第十四师团、第二十师团等三个师团。第二军司令官西尾寿造中将，下辖第十师团、第十六师团、一〇八师团。加上直属于华北派遣军的第五师团、第一〇九师团以及不甘寂寞前来凑热闹的关东军察哈尔兵团，华北地区日军的总兵力达到了37万人。
不但日本战时首相东条英机率领关东军察哈尔兵团莅临参战，前文提到的三大“中国通”在这里也悉数披挂登场，还正好一人一条战线：矶谷廉介的第十师团在东路，土肥原贤二的第十四师团在中路，板垣征四郎的第五师团在西路，可谓是“群魔乱舞”。一些在未来太平洋战场凭借战功荣登老酒杰出将领排行榜的人物，此时也开始崭露头角，如日本的中国驻屯军混成旅团旅团长山下奉文少将、第六师团第三十六旅团旅团长牛岛满少将等，不过，这时他们还只是跑龙套的小角色而已。
与日军华北派遣军相对抗的是中国第一战区、第二战区的部队。主要包括宋哲元的第一集团军、刘峙的第二集团军、卫立煌的第十四集团军、杨爱源的第六集团军、傅作义的第七集团军等，预备军由阎锡山亲自率领，下辖朱德的第十八集团军，王靖国的第十九军，赵承绶的骑兵第一军等。以上部队，合计24个军53个师21个旅，加上一些辅助力量，总兵力超过了60万人。
看起来人数还真是不算少，60万兵力用于进攻肯定是一股强大的力量，但是往广袤的华北地区一撒，真跟撒胡椒面差不多。加上双方战力上的巨大差距，凭这样的力量，中国军队根本不可能守住华北。
日军进攻的路线由东、中、西三条，分别对应华北的三条铁路大动脉：津浦路、平汉路和平绥路。从东到西，由易到难，我们也从津浦路的作战说起。
为了组织津浦路沿线的防御，国民党政府专门成立了第六战区，由著名的倒戈将军冯玉祥出任战区司令长官。蒋介石这样安排，可以说是煞费苦心，因为在这一区域作战的部队基本上属于原西北军的旧部，让老冯来，就是为了能指挥起来顺手一点。可惜时过境迁，那些原来的老部下，根本不睬现在已经是光杆司令的老领导。冯玉祥命令韩复榘调山东的部队北上增援河北，韩复榘理都没理。冯玉祥专程跑到宋哲元的第一集团军商讨作战，宋哲元见到冯玉祥，找个借口就溜了，一口气又跑回山东老家养病去了。接任宋哲元的冯治安更绝情，对冯玉祥的多次召见就一个理由：忙，没工夫去。
9月18日，矶谷廉介的第十师团率先沿津浦路发起进攻，沿途国民党军一八一师、五十九军、一〇九师等部队一触即溃。9月25日，河北重镇沧州落入日军之手。面对穷追不舍的日军，第一集团军代总司令冯治安下令扒开了运河，试图以此争取喘息时间。
面对日军沿津浦路的长驱直入，国民党政府致电冯玉祥要求在德州以北集结兵力展开积极防御。冯玉祥在调兵遣将的同时下令国民党军第四十军、第四十九军、第五十九军对日军进行侧击，以迟滞日军的进军速度。但是矶谷廉介第十师团还是如入无人之境，迅速进抵山东和河北边境。前边就是韩复榘的地盘。
已经在山东当了8年皇帝的韩复榘拒绝任何人进入山东，包括中国人，连老上司冯玉祥都被他强硬地拒之门外。老韩对冯玉祥的解释是：“河北的兵跑到山东来干吗？”此言与侯宝林大师创作的相声段子《关公战秦琼》中，韩复榘他爹“山西人关云长跑到山东来干吗”的说法，可谓异曲同工。由于进不了山东，一路撤退的国民党军溃兵无奈只好离开铁路线，跑到了河北南部。
10月3日，日军开始进攻德州。韩复榘在这里只象征性地放了一个团的兵力，此举导致位于河北和山东交界的重镇德州很快沦陷。可能是这里的烧鸡太好吃了，日本人在这座小城停下了脚步。东路战事暂时告一段落，国民党政府随即宣布撤销短命的第六战区。
守卫中间平汉路的是“飞将军”刘峙的第二集团军。要说刘峙还真有雄心壮志，他竟然还制订了一个“光复北平”的反攻计划。可惜计划还没开始实施，日军香月清司的第一军已经兵分三路向南展开了猛烈攻势。
向南一字排开的是川岸文三郎第二十师团、谷寿夫第六师团和土肥原贤二的第十四师团。短短几天内，日军当面的抵抗力量就被纷纷击溃。9月18日，三路日军会攻保定。
情势危急，刘峙无奈，只好向蒋介石紧急求援。但当时国民党军的主要力量都集中到上海去了，华北地区已无兵可调，蒋介石只好命令刘峙利用现有力量在保定与日军决战。刘峙显然没有那么大的本事。9月24日，保定失守。
平汉路上保定和津浦路上沧州的失守使得整个华北战局急转直下。沿津浦路西侧推进的日第十六师团、第一〇九师团沿着向西倾斜的路线直指石家庄。这条防线上的东北军第六十七军吴克仁部稍作抵抗后，奉命退守献县。左翼东北军万福麟第五十三军及右翼西北军冯治安第七十七军为保存实力极力避战，与敌稍有接触即很快溃逃，献县很快落入日军手中。这样，沿着平汉路直接南下的日军就与从津浦路斜插过来的日军并驾齐驱，合围河北重镇石家庄。
此时，板垣征四郎的第五师团和关东军察哈尔兵团已经从察哈尔和绥远两路入侵晋北，第一战区的部队被迫相继前往增援。10月9日，日军第二十师团强渡滹沱河，向石家庄西侧迂回，第四师团、第十六师团也先后渡河从西、南两面包围过来。守卫石家庄的万福麟第五十三军在10月6日已经退走，城中只有少数部队，日军几乎不战而得石家庄。
出于北面苏联的威胁，同时由于东南淞沪战场战事吃紧，西边的山西也正在激战之中，日本参谋本部下令华北派遣军暂时停留在石家庄和德州一线。看来人家停下来，并不完全是因为烧鸡好吃。参谋本部的命令使得往南溃逃的国民党军总算能喘上一口大气了。
相对于东路和中路而言，发生在西线的战斗才堪称惨烈。
在华北战事刚刚开始之时，参谋本部就命令华北派遣军将主攻方面首先转到平绥铁路向西的张家口。因为关东军急切希望解决所谓的“蒙疆问题”，就是占领内蒙古、绥远和察哈尔地区以确保伪满洲国侧后，同时解决平汉路、津浦路作战的侧翼和后方安全问题。沿这条攻击线路的第一个战略要点就是离北平只有60公里的南口。
早在8月初，蒋介石就针对南口的防御下达了一系列命令，负责这一区域作战的主要有“中央军”主力汤恩伯的第十三军，其余还有察哈尔省主席刘汝明、绥远省主席傅作义、太原绥靖公署主任阎锡山的部队，还特地将第八十四师、第二十一师合并为第十七军加入南口作战。
平绥线的作战还没有开打局面就已经一团糟。傅作义、刘汝明、汤恩伯分属不同的派系，谁都不想听谁的指挥。蒋介石的部署是汤恩伯负责南口，刘汝明负责张家口，傅作义作为总预备队。但汤恩伯的部队要去南口不管是走公路还是走铁路都必须经过刘汝明管辖下的张家口，刘汝明拒绝让汤恩伯借道通过。地方部队害怕“中央军”甚于怕日本人，和宋哲元一样，刘汝明也害怕汤恩伯的“中央军”假途灭虢，趁势把他给收拾掉。
无奈之下，汤恩伯只好求助于蒋介石，蒋介石也管不了西北军出身的刘汝明，只好去找刘汝明的老领导冯玉祥。冯玉祥知道刘汝明肯定不会听自己的，就跟蒋介石玩起了太极神功，假装大义凛然地说，不听话，你把他枪毙算了。等到费老鼻子劲搬出西北军元老鹿钟麟把事协调好，宝贵的时间已过去了4天。就这刘汝明还有附加条件，要求汤恩伯的“中央军”在路过张家口的时候不能停车。等到汤恩伯获准通过张家口前往南口的时候，形势已经大变，日军已经发起了进攻。在日军飞机的狂轰滥炸之下，汤恩伯所部每天能够到达南口的人数只能有一个团而已。
8月11日，日独立混成第十一旅团4000余人由北平沿平绥铁路向南口发起进攻，为随后到来的主力板垣征四郎的第五师团开路。
蒋介石要求汤恩伯固守南口半个月。攻守双方随即展开激战，南口几度易手。两军仍在不断增援，但国民党军增援兵力大部分遭到阻击无法按时到达战场。至8月23日，日军第五师主力突破长城线，向怀来突进，南口守军固守待援无望，右翼又被突破，被迫于26日放弃南口撤退。日军随后占领居庸关、延庆、怀来等地。整个南口作战，中国军队伤亡26000人，日军伤亡2600人。
就在南口双方角力的同时，由关东军参谋长东条英机率领的察哈尔兵团已从察北方向直扑张家口，张家口守军就是刘汝明的第六十八军。8月20日，日军向张北地区发起攻击，攻占南口的日军也随即向张家口方向攻击前进。8月26日，刘汝明下令撤出战斗，张家口被日军占领。
8月24日，日本内阁会议同意再次动员四个师团的部队投入中国战场。在被问及那个老问题“进攻到什么地方蒋介石才会屈服”时，陆军大臣杉山元回答：“即将到来的华北会战正是这样的关键一役。”
平绥路上的张家口、南口相继沦陷后，日军板垣征四郎的第五师团集结于怀来，东条英机的关东军察哈尔兵团集结于宣化，向南攻击山西的意图显而易见。9月3日，东条兵团一部开始向晋北重镇天镇发起猛烈进攻。天镇是山西东北部的重要门户，保卫山西势在必守。经营山西长达20多年的阎锡山一贯奉行的是除了自己人谁都别想进入山西。用他原来的话就是，“在三个鸡蛋上跳舞，踩烂哪一个都不行”。现在看来，日本人要取他的老命，时任第二战区司令长官的阎老西这才真正抖起了精神。他匆匆电令隶属傅作义第七集团军的第六十一军军长李服膺火速向天镇集结布防御敌。面对两路日军的入侵，阎锡山正在筹备所谓的“大同会战”，要求李服膺必须死守天镇。
9月5日，日军步骑兵3000多人在飞机坦克的掩护下猛攻天镇，三日激战无果。眼看正面进攻不能奏效，日军开始绕过天镇进攻阳高。9日，阳高失守，日军复折回围攻天镇。9月11日，后路被截的李服膺下令弃收天镇。天镇失守导致晋北屏障顿失，阎锡山的“大同会战”也被扼杀在摇篮之中。9月13日，东条兵团不战而得大同。
恼羞成怒的阎锡山立即将李服膺拘捕，随后以“放弃阵地，擅自撤逃”的罪名判处死刑，李有幸成为第一个因作战不力被执行枪决的国民党军高级将领。
在日军的持续猛攻之下，9月14日，广灵失守。20日，灵丘失守。日军在中国军队晋北防线的右翼已经逼近了内长城，灵丘之南就是平型关。
参加山西战斗的，除了国民党部队，还有中共中央领导的第八路军。8月22日之后，第八路军所属一一五师、一二〇师、一二九师，共计46000多人，陆续加入晋北战场。
9月21日，日军第五师团第二十一旅团在占领团城口之后，继续南进，正面进攻平型关。八路军第一一五师在师长林彪、副师长聂荣臻的率领下，奉命以一部袭击灵丘、涞源敌后。25日上午，日军第六兵站汽车队携带大量辎重由灵丘向平型关开进。80多辆汽车、100多辆马车、几百名官兵进入第一一五师精心设下的伏击圈。激战后，日军几被全歼，此即著名的“平型关大捷”。被歼日军是第五师团的一个辎重大队。
与此同时，关东军察哈尔兵团东进策应，于28日攻陷茹越口，随后进占繁峙，威胁平型关侧背。30日晚，平型关守军奉命撤向五台山，日军遂陷平型关西进至代县。
10月1日，陆军参谋本部向板垣所率第五师团和察哈尔兵团下达了进攻太原的命令。
面对越来越危急的战局，阎锡山破例请求将在平汉线上作战的卫立煌第十四集团军加入晋北作战，蒋介石欣然应诺。要知道，在此之前国民党“中央军”进入阎老西的老巢山西，那是想都不要想的事情。10月4日，卫立煌已经先于部队到达太原。
10月2日，日军察哈尔兵团混成第二旅团从代县向崞县进攻，激战一周后，崞县陷落。12日，日军攻占原平，前方就是太原的北大门忻口。阎锡山下令将晋北各部撤向忻口地区组织新的防御。此时位于忻口的中国军队已经达到了28万人，而以第五师团和东条兵团一部为主的日军总兵力有5万人。
10月13日，板垣指挥第五师团猛攻忻口。14日，卫立煌下令国民党军全线反击，两强相遇勇者胜，战斗随即进入白热化。18日，忻口前沿阵地反复易手达13次之多，日军6次占领，国民党军又7次夺回。战况最紧张的一天，被打垮撤下来的部队，就多达11个团。10月19日，八路军第一二九师第七六九团陈锡联部夜袭阳明堡，摧毁敌机24架。在争夺南怀化高地的战斗中，第九军军长郝梦龄、第五十四师师长刘家骐、独立第五旅旅长郑廷珍壮烈殉国，但国民党军第六十一军、第十九军等部队依然始终坚守忻口阵地，双方在忻口形成对峙。惨重的伤亡使得日军几乎丧失了继续进攻的勇气。
为了打开山西僵局，日本决定再次实施侧后突袭作战。中路平汉线的石家庄陷落之后，参谋本部下令第十四师团和第一〇八师团继续南下，第六师团抽调淞沪战场加入柳川平助的第十军，第二十师团和第一〇九师团则受命沿正太路向山西进攻，配合板垣征四郎在晋北的作战。
在淞沪战场前线双方对峙的紧要关头，日军第十军在杭州湾登陆侧击，导致国民党军防线的全面崩溃，这一幕在华北战场再次上演。忻口前线中日两军头顶头，憋足了劲在比拼内力，日军由平汉路向西的进攻，无异于在国民党军的屁股上猛插了一刀子。
晋东战略要地娘子关告急。国民党政府军事委员会令第一战区部队一部转入晋东娘子关地区组织防御，由第二战区副司令长官桂系黄绍竑负责指挥。10月11日，日军第二十师团占领井陉，以一部攻娘子关正面，主力绕道于13日攻陷旧关。21日，第二十师团得第一〇九师团一部增援，继续正面强攻娘子关。26日，日军左突击队已经迂回到娘子关和新关侧后，娘子关守军顿时陷入腹背受敌的境地，被迫全线撤退，晋东战略要地娘子关失守。日军沿正太铁路向西追击，11月2日占寿阳，迅速逼近榆次，太原危急。
娘子关失守导致北路国民党军无奈放弃忻口，退守太原。11月2日夜，忻口守军全线撤退。11月4日，阎锡山决心以忻口撤退的部队占领太原北郊阵地，以娘子关退下的部队防守太原东郊，以刚增援的汤恩伯第十三军推进到榆次待机夹击日军。守城名将傅作义被任命为太原城防司令，负责率第三十五军残部和独立第一旅、第二一三旅共19个营死守太原。
然而，两线撤退的部队立足未稳，日军即追击而至，根本无法组织起有效的防御。5日，东路日军占领榆次。6日，北路日军进抵太原城垣，两路日军在太原郊外会师。7日，两路日军开始协力猛攻太原城。战至当晚，守城官兵仅存2000余人。8日夜，太原城垣被日军突破，傅作义率第三十五军残部突围而出。
11月9日，太原沦陷。
历时两个月的太原会战中，日军参战兵力共14万人，伤亡近3万人。中国参战兵力为6个集团军计52个师共28万人，伤亡10万人以上。
继续从石家庄南下的日军于10月15日占领邢台，17日攻陷邯郸。11月5日，豫北重镇安阳落入敌手。
至此，中国军队在华北战场的正面抵抗宣告结束。