7月26日晚广安门战斗刚刚停止，日本“中国驻屯军”便于当晚10时20分下达了攻击中国第29军的作战命令。命令的要点如下： 　　(一) 日军于7月27日正午开始攻击。 　　(二) 在廊坊及天津的第20师团主力在团河村(北平南约15公里)附近集结，与位于马驹桥(北平东南约15公里)的一部协同进攻南苑。 　　(三) 中国驻屯步兵旅团主力从丰台向南苑兵营北端方向进攻，在通州的该旅团步兵第2联队向南苑东北端方向进攻，至11时进入北平—马驹桥一线，听候旅团长指挥。 　　(四) 北平警备队保护北平侨民。 　　(五) 独立混成第11旅团(在高丽营)从卫窑(北平北约16公里)附近攻占西苑，然后进至永定河一线。 　　(六) 独立混成第1旅团(在顺义)从沙河镇方向向永定河一线攻击。 　　(七) 军预备队(第20师团的步兵3个大队)位于天津。 　　(八) 集成飞行团主力拂晓攻击西苑兵营。 　　(九) 临时航空兵团一部在承德，主力转场至天津，协同地面部队进攻，并随时准备与中国空军作战。 　　由于北平市内日本侨民尚未迁移完毕，而且前面所发最后通牒的期限是28日正午，因此驻屯军决定将攻击时间推迟至28日执行；同时，决定在对北平发动总攻之前，于27日对通县、团河、小汤山等地第29军驻军发动袭击。 　　28日上午8时，日军步兵在飞机、炮兵支援下，对南苑第29军营房展开进攻，主攻部队第20师团由南苑东南角和西南角展开攻击。集结于丰台的日军驻屯旅团主力同时向南苑进攻，切断南苑守军的北平方向的退路。在日军陆军及航空兵协同攻击下，南苑守军第29军特务旅2个团、第38师114旅2个团及师部特务团、骑兵第9师3个团，以及高炮营、装甲汽车大队等共计约2万人左右完全处于被动挨打的地位，通信设备很快被炸毁，联络中断，指挥失灵，部队各自为战，秩序一片混乱。 　　至下午1时，南苑战斗结束。第29军副军长佟麟阁在混战中壮烈殉国；第132师师长赵登禹在向北平方向突围时，于大红门附近受敌截击，也英勇牺牲。当南苑战斗激烈之际，已经进到涿县地区的第132师第1旅和第2旅，在师长赵登禹连发电报催促增援的紧急关头按兵不动，贻误了战机。 　　当南苑战斗进行之时，第37师一部向丰台日军发动攻击。因丰台日军驻屯旅团主力已前出到南苑与北平之间担任阻击，丰台只有少数日军守备，因而在第37师的攻击下受到损失。南苑战斗结束后，当日下午3时，驻屯旅团返回丰台，将攻击丰台的第37师部队击退。此时，日军独立混成第11旅团也已攻占了清河镇，驻防该地的冀北保安部队第2旅退至黄寺。日独立混成第1旅团占领沙河。 　　28日下午2时，宋哲元召开军政首脑会议，讨论部队行动问题。会上决定委派张自忠代理冀察政务委员会委员长、冀察绥靖公署主任兼北平市市长。当日晚，宋哲元率第37师离开北平赴保定。宋到达保定以后，于30日电报蒋介石，提出：“刻患头疼，亟宜休养”，并将第29军军长的职务交冯治安代理。 　　29日拂晓，日军独立混成第11旅团进攻北苑与黄寺的独立第39旅和冀北保安部队。战至下午6时，黄寺被日军攻占。 　　30日，在日军操纵下成立了伪政权北平维持会，在北苑的独立第39旅旅长阮玄武投敌，在城内的独立第27旅亦被日军解除武装，张自忠躲进德国医院。北平沦陷。 　　当日军主力大部集中北平作战时，留在天津的日军除驻海光寺的军司令部及直属5个步兵小队外，还有步兵3个大队、临时航空兵团和兵站各部队，全部兵力约5000人。他们分散守备在天津总站、东站、东局子飞机场和日本租界等处。第29军在天津地区的部队尚有第112旅(驻小站)、独立第26旅(驻马厂一带)。天津的防务由第38师副师长兼市公安局局长李文田负责。廊坊被日军占领后，平、津间交通已断，天津局势紧张。李文田于28日下午7时召开紧急会议，讨论对日作战问题。参加会议的有师属手枪团团长祁光远、市政府秘书长马彦罛、天津市保安队队长宁殿武、天津警备司令刘家鸾、第112旅旅长黄维纲和独立第26旅旅长李致远。经过分析讨论，一致认为应立即向天津日军发动攻击。最后李文田决定了攻击战斗部署：以天津保安队1个中队在宁殿武队长指挥下攻取东车站；手枪团配属独立第26旅1个营和保安队3中队，在祁光远团长指挥下攻取海光寺日本兵营；独立第26旅配属保安队第2中队，由李致远旅长指挥攻取天津总站及东局子日军飞机场；天津市武装警察负责交通、通信联络。攻击时间为29日凌晨1时，总指挥部设在西南哨门。 　　29日凌晨1时，各部队按照指定任务同时向日军发动攻击。由于采取了突然袭击手段，因此攻击开始后进展较为顺利。独立第26旅迅速攻占了总站及东局子飞机场，烧毁了10余架日机，并攻进航空兵团司令部，缴获了大量机密文件(包括日陆军航空兵正在使用的电报密码本等)。事后日本参谋本部追查这一重要失密事件，航空兵团参谋长今泽舍次郎大佐及有关人员均被撤职查办。保安队第1中队也很快攻占了东车站。惟海光寺日军由于工事坚固、炮火猛烈，未能攻克。 　　战斗至当日下午，日军临时航空兵团开始对中国军队及其驻地进行轰炸。在日军飞机轰炸和其地面部队火力反击下，第38师各部队间联络中断，指挥失灵，形成各自为战的混乱局面，损失越来越大。增调的援军第112旅又迟迟不到，于是李文田部队在当日下午3时开始撤退，天津沦陷。 　　第29军进攻天津日军时，驻通县的伪冀东保安队在张庆余、张砚田的率领下反正。张庆余是伪冀东保安队第1总队指挥，张砚田是第2总队指挥。该部原系于学忠的两个团。卢沟桥事变发生后，张庆余曾秘密派人与第29军联系，商定在开战时举行起义。29日凌晨2时，该保安队向驻通县的日军和伪冀东自治政府发动突然袭击，捉获了伪主席殷汝耕，击毙了日军特务机关长细木繁中佐及所属日军数十人，并消灭了日军守备队、汽车队大部和全部日本顾问，也牵连杀死了一些日本侨民。然后于下午4时撤离通县，带着殷汝耕，准备将其送往北平；但当到达北平附近时，保安队得知第29军已全部撤退，只好经北平西郊向保定方向转移。转移途中，在北苑、西直门之间遭到日军的袭击。混乱中，殷汝耕逃走。 　　第29军的第38师在天津的反击和通县伪冀察保安队的起义，使日本遭到一定的损失。日本“中国驻屯军”为解除后方的威胁，急令第20师团第39旅团长高木义人率3个步兵大队、1个炮兵大队回援天津，同时向关东军求援。关东军立即派兵力约1个大队的先遣队赶赴天津；随后又以第1师团的第2旅团为基干，配属了炮兵、骑兵及工兵，组成第2混成旅团，车运天津增援。增援日军相继于7月30日至8月1日到达天津。此时，天津地区的中国军队已撤至静海以南地区，北平地区的中国军队已撤至涿县、固安、永清以南地区。日军占领平、津后暂停进攻，拟俟第二批侵华日军的3个师团到达后再发动更大规模的进攻。