“七.七事变”前，日军不断在平津市区及近郊军事演习。其中一个重要用意就是对中国军民进行威慑，力图在心理上首先压对方。在日本人看来，当时中国人畏惧日本，已成普遍心理，一经恫吓，没有不屈服的。他们这服灵丹妙药，不想在当时已经威震中外的29军官兵面前竟失掉效力，不仅不买小日本的账，还与敌进行针锋相对的斗争，大胆实施了心理反威慑。
日军在北平西郊举行的坦克步兵巷战演习时，日军出了宛平县城西门，已经到了卢沟桥桥头，根据双方协议，不再通过石桥，而向北行约一公里，再越过铁路，到了大瓦窑村附近，准备开始演习。这次日军行动路线，实际上等于拐了一个90度的直角，按正常行路，是舍近求远，根本无需通过宛平县城，从丰台可直达大瓦窑。显然，日本人要通过此举向中国人示威。
中国人也不甘示弱，在演习的宛平县城街道两旁，中国军人的岗哨如同路边行树，一直伸延下去。这些哨兵身着英式军服，手持上好枪刺的步枪。因29军非常重视士兵身体素质的训练，所以，每个士兵身体精壮，站立如桩，瞪着眼睛，看着日军的步兵和坦克从他们的眼前过去。巡视将军们还经常表彰他们：“没给中国人丢面子！”
1937年6月份以后，丰台日军以卢沟桥守军为假想敌的演习日渐升级，先是日出而来，日落而回，后来变成日暮而来，日出而回，再后不分昼夜，甚至连日连夜持久演习。先是一般空弹训练式的演习，后是实弹实战式的演习。一般地说，日方演习的目的性比较强，如：以某街某巷为目标的巷战演习，以某地某军为假想敌的进攻演习等。而中国军队的演习目的朦胧，大都属“示威”性的演习，就是“不蒸馒头蒸（争）口气”。对于敌方的特点，可能发生的情况，敌方战斗力，将领用兵方法等很少考虑。有一天，日军丰台一木清直大队所部在骑着高头大马的军官带领下，神神气气、威威风风地进了宛平县城东城门，向西门缓缓前进。这位军官轻轻策马，左顾右盼，只见持枪携大刀的中国士兵密密排列在路的两旁，有点像仪仗队。这更加显露出大日本帝国军人的威风！日军的战马虽然也训练有素，可是它究竟不是天皇宝驹“初雪”，经常见到这样阵仗，这马感到眼生，恰恰此时站在路旁的中国士兵的大刀在阳光下一闪，刺眼的闪光射向马头，这军官的坐骑一惊，向路旁躲去，一脚踩到了一棵小树，小树在马蹄下倒下去。小树边站着一个中国的持枪岗哨。这个年轻的士兵一见树倒，伸手抓住马头的辔头，冲着日本军官吼道：“罚款两角！”
这次日军军官开始很横，要兵戎相见。中国官兵围了过来，说他损坏中国树木，必须赔偿。他回顾左右，见所率中队已经走到城池正中，四面城墙上枪口向内架着机枪，也许四周建筑之中还有伏兵。一旦动手，中国人岂不是在瓮中捉鳖，首先是自己受皮肉之苦。好汉不吃眼前亏，他衡量利弊，还是红着脸很不情愿地掏出了两角钱。
“两角钱”事件在当时广为传诵，民众赞誉士兵爱国行为。
1937年7月7日下午，驻丰台日军河边正三旅团第1联队第3大队第8中队，由中队长清水节郎率领到达卢沟桥以北龙王庙附近。当晚，日军在龙王庙、大瓦窑一带实施演习。
10时许，宛平中国守军第29军第37师第110旅突然听到城东北方向响起枪声，便严密注意日军的动态。
夜12时许，日本驻北平特务机关长松井太久郎给冀察政务委员会外交委员会打电话，诡称：有日军陆军一中队，夜间在卢沟桥演习，仿佛听见由驻宛平城内之军队发枪数响，致演习部队一时呈混乱现象，失落士兵1名，要求进入宛平城搜索。29军军部拒绝了日军的无理要求，并答复说:卢沟桥是中国领土，日本军队事前未得我方同意在该地演习，已违背国际公法，妨害我国主权，走失士兵我方不能负责，日方更不得进城检查，致起误会。
7月8日晨2时许，日军由丰台增派的部队在第3大队队长一木清直率领下与清水节郎所部会合，按计划占领了宛平东北的沙岗。冀察当局为防止事态扩大，同意双方派员前往调查。中方委派宛平县长王冷斋、冀察政务委员会外交委员会专员林耕宇、冀察绥靖公署交通处副处长周永业与日方的冀察绥靖公署日本顾问樱井德太郎、日军辅佐官寺平忠辅和秘书斋藤进行谈判。
晨5时许，双方尚在交涉中，日军即下令向卢沟桥一带的中国军队发动攻击，并炮轰宛平县城。
在全国人民抗日热潮的推动下，中国守军第29军第110旅奋起抵抗，揭开了全国抗战的序幕。他们表示“愿与卢沟桥共存亡”，“日军要求我军撤出卢沟桥，则有死而已，卢沟桥可为吾人之坟墓”。吉星文团连续击退日军3次进攻。日军第3大队直扑龙王庙和附近的铁路桥。守卫桥头阵地的29军只有两个排。他们表示“宁为战死鬼，不做亡国奴”，同日军展开拼杀，终因寡不敌众，60多名战士壮烈牺牲。日军也在河堤上丢下了上百具尸体。
7月8日夜12时许，吉星文团突击队的青年战士用绳梯爬出宛平城，出其不意地将日军1个中队全歼在铁路桥上，夺回了铁路桥和龙王庙，军心为之大振。
中共通电
卢沟桥事变后的第二天，中共中央发表《中国共产党为日军进攻卢沟桥通电》，指出，平津危急!华北危急!中华民族危急!只有全民族实行抗战，才是我们的出路!号召全中国同胞、政府与军队团结起来，筑成民族统一战线的坚固长城，抵抗日寇的侵掠!同日，毛泽东、朱德、彭德怀等致电蒋介石，表示红军将士愿意为国效命，与敌周旋，以达保土卫国之目的。要求本“御侮抗战之旨，实行全国总动员，保卫平津，保卫华北，收复失地”。同时，红军将领致电宋哲元，表示“誓做贵军后盾”。北平中共地下组织发动各界同胞援助29军抗战。中华民族解放先锋队、华北各界救国联合会、北平各界救国联合会的代表赴前线慰劳抗日官兵；青年学生参加情报、募捐、救护等工作，并组织战地服务团；长辛店的工人运送枕木、铁板和铁轨到宛平，修筑阵地；郊区农民为前线输送粮食、饲料、燃料和民工。人民群众的支援，激发了29军广大官兵的抗日热情。
全体动员
同日，蒋介石电令宋哲元：宛平城应固守勿退，并须全体动员，以备事态扩大。9日，国民政府军事委员会电令全国备战，并令第26路军孙连仲等部4个师归宋哲元指挥，开赴保定、石家庄，支援第29军作战。
冀察当局却根据国民党政府“应战不求战”的方针，放弃了歼敌的有利时机。于7月9日晨，第29军副军长兼北平市长秦德纯与日本北平特务机关长松井太久郎达成三项口头协议：一、双方立即停止射击；二、日军撤退到丰台，29军撤向卢沟桥以西；三、城内防务由保安队接防。7月10日，日本又在“就地解决”的幌子下，提出29军向日军道歉，卢沟桥、宛平县和龙王庙地区不得驻扎中国军队等无理要求。
11日，日本政府发表派兵华北的声明，诬指中国守军“在卢沟桥附近进行非法射击”，决定增兵华北，任命香月清司为中国驻屯军司令官，并从驻朝鲜日军抽调第20师团来华。随后，大批日本关东军开抵天津，并以重兵进犯北平郊区。
日军进攻卢沟桥受挫后，日本政府一面以“不扩大方针”和“就地解决”为幌子；一面向华北增兵，加紧侵略部署。
派兵声明
11日，日本内阁决定增兵，并发表《关于向华北派兵的政府声明》。其参谋本部命令关东军独立混成第1、第11旅分别从辽宁公主岭(今属吉林)、河北古北口(今属北京)向顺义县城高丽营地区集结；第20师由朝鲜经山海关进入天津一带；关东军飞行集团6个中队飞抵山海关、绥中、锦州，高炮、装甲等特种部队开赴华北；令中国驻屯军步兵旅主力集结于北平以东地区，总兵力约10万人。
15日，日本新任中国驻屯军司令官香月清司拟制了进攻平、津的作战计划，要求参战部队于20日前集结完毕。
7月17日，蒋介石在庐山发表谈话，声称：“如果战端一开，就是地无分南北，年无分老幼，无论何人，皆有守土抗战之责任，皆应抱定牺牲一切之决心。”这一谈话，确定了准备抗战的方针。但这时蒋还没有完全放弃对日媾和幻想，仍想将卢沟桥事变限制在“地方事件”的范围内，企图通过外交途径，谋求和平解决。
7月19日，宋哲元抵北平后，下令拆除城内的防御工事，打开关闭数日的城门，谢绝全国各界赠送给29军的抗战劳军捐款。同时，继续与华北日军进行谈判。国民党政府外交部向日本使馆提议，中日双方停止军事行动，将部队撤回原地，然后由外交途径解决，遭日本外务省拒绝。
乐陵“度假”
当时，29军军长宋哲元正在老家山东乐陵“度假”，一度幻想和平解决事变。7月11日，他到天津，仍忙于同日方和平交涉，认为“卢沟桥事变”只是“局部之冲突，能随时解决”，因而延误了战机。
7月20日，日军中国驻屯军所属部队已分别集结于密云、高丽营、天津和北平附近地区。在日军向平、津地区集结期间，中国政府军事当局派兵一部向保定、石家庄地区集结。第29军令第132师在永定河以南集结，令该师独立第27旅进入北平担任城防。当日下午，日军炮击宛平城和长辛店。守城官兵在团长吉星文指挥下，打退了敌人多次进攻。25日夜，日军由朝鲜调来的第20师步兵第77团，袭击廊坊中国军队第38师第226团守备区。守军被迫自卫。次日拂晓，日军在航空兵与装甲部队配合下，攻占廊坊，守军向武清转移。北仓、杨村、落垡诸车站亦被日军占领。当晚，日军中国驻屯军第2团袭击了北平广安门驻军独立第25旅第679团。
26日下午，香月清司向第29军发出最后通牒，要求驻守北平城内和西郊的第37师于28日午前撤至永定河以西，尔后向保定方向撤离，否则，日军将自由行动。27日凌晨，日方未待中方答复。便派驻屯军第2团围攻通县城外守军独立第39旅第2团第1营，攻占宝珠寺、团河、黄村等中国守军防地。
27日下午，宋哲元拒绝日方通牒，向全国发出自卫守土通电，令原准备撤防的第37师迅速进入西苑至卢沟桥一线阵地；第132师速至南苑集结。以该师师长赵登禹为南苑方向作战总指挥；催促孙连仲等部北上抗日。此时南苑驻军有第38、第132师各部及特务旅等共4个步兵团、1个骑兵团7000余人。当晚赵登禹到达南苑，所部主力尚在涿县，途中，南苑防御部署尚未调整，亦未构筑防御工事，情况十分危急。
28日晨，日军向北平市郊发动总攻，以第20师主力配重炮40门，在坦克部队和炮兵掩护下，对南苑展开攻击。日驻屯军步兵旅主力由丰台向南苑进攻，切断南苑守军向北平方向的退路。守军被迫仓卒应战，利用营房周围障碍物及村庄为掩体，顽强抵抗，有些阵地失而复得。但由于日军飞机与大炮轮番轰炸，守军无法展开，加之通讯设施被炸毁，指挥失灵。官兵苦战至下午2时，战死约5000人，29军副军长兼教导团团长佟麟阁和132师师长赵登禹率2000余人的部队守卫南苑。在敌密集炮火之下，处境极为不利。面对强敌，佟、赵两人决定誓死坚守，他们指挥部队英勇抗击。
7月28日由晨至午，战斗激烈，双方损失惨重。下午，佟麟阁等奉命率部向大红门转移，中途被日军包围，乃挥师继续与敌人苦战。佟麟阁在指挥右翼部队向日军突击时，被敌机枪射中腿部，佟仍率部激战。敌机又来狂轰滥炸，他头部受重伤，流血过多，英勇殉国。赵登禹师长在激战中右臂中弹，仍继续作战。不久，他腿部等处亦受伤，赵登禹率部突围北走，车行到黄亭子，赵被日军伏兵击中胸部，壮烈殉国。佟麟阁、赵登禹为国牺牲的噩耗传往全国，激发了军民抗日复仇的义愤。南京国民政府发布褒扬令，追赠佟麟阁、赵登禹为陆军上将。
28日下午，宋哲元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，留北平和敌人暂时周旋，自己于当日晚离北平赴保定。第37师撤至永定河南岸布防。
29日8时，日军独立混成第11旅团攻击北苑与黄寺。黄寺守军冀北保安部队与日军战斗至18时后撤退。北苑守军独立第39旅与日军战斗后转移到古城，战斗结束后又返回北苑。该旅于31日被日军解除武装。在城内的独立第27旅被改编为保安队维持治安，数日后突围到察哈尔省归第143师序列。
驻防天津的第29军第38师部队，于29日凌晨主动向天津日军发动攻击，攻占天津总站日军驻地，并向驻海光寺日军司令部和东局子飞机场展开攻击。开始时较为顺利，后在日军飞机、炮火反击下，至15时开始撤退，随之天津沦陷。
29日驻通县伪冀东保安队反正，并向通县日军和伪冀东自治政府发动攻击，取得胜利。当日下午，反正部队撤离通县向北平转移，在城北受到日军的袭击，然后转移向保定。第29军第37师奉令南撤时，该师第110旅在宛平至八宝山一线掩护军部和北平部队经门头沟南撤，任务完成后，于30日撤向保定。
30日，日军占领北平、天津，日军独立混成第l旅团和驻屯旅团分别在30日晚和31日进占长辛店西面高地和大灰厂附近地区。至此，平、津作战结束。
