双方正僵持中，有人报告说，日军驻丰台的一个大队五六百人，携带六门火炮，由一木清直大队长率领正向卢沟桥方向开进。双方谈判代表一起前往现场。车行至距宛平城约两里地的地方，王冷斋发现公路两侧和铁路涵洞已被日军占领。这时，日本方面再次提出中国军队撤离宛平城的要求，王冷斋再次予以拒绝。就在中国县长与日本军官在宛平城外争吵不休的时候，凌晨三时，远在天津的日本驻屯军司令部里灯火通明，主任参谋大本民枝只用了两小时，便把一份旨在扩大卢沟桥事端的军事计划拟了出来。
这份计划显示出日军好战军官的毒辣：首先，“必要时不顾敌我双方的损害，果断地攻击，”“占领卢沟桥”，“至迟于九日正午前占领宛平城”。其次，“立即将秦德纯、冯汉安绑架至北平警备队内，不许自由发表言论和行动”。此份计划还附加了特别“说明”，强调要千方百计地“证明事件发生非我方有计划之行动”。一九三七年七月七日晚，发生在卢沟桥的事件，到底是不是日本人的精心策划，这份计划已经显出些许端倪。
宛平城的谈判依旧在僵持中，突然传来一声炮弹的爆炸声，急于占领宛平城的日军已经等不及了，于凌晨四时二十分向宛平城内开炮了。一森清直大队长指挥五百日军向宛平城中国守军发起了攻击。中国守军第三十七师二一九团团长吉星文立即向师长冯治安和旅长何基沣报告。冯治安师长的命令十分严厉：一寸土地都不许退让。中国守军扼守宛平城东门，任日军如何冲击，城门坚固如铁。日军正面攻击宛平城未能得手，随即改变攻击方向，集中兵力猛扑卢沟桥铁桥和龙王庙的中国守军防区。两军在龙王庙附近遭遇，中国守军只有两个排约七十多人，而日军有两个中队五百多人。在日军的轮番攻击面前，中国士兵用步枪、机枪和手榴弹顽强阻击，最后用大刀进行白刃战，日军伤亡百人以上，两个排的中国守军全部阵亡。
此刻，卢沟桥事变的消息传到了日本东京。在如何应对卢沟桥事变上，日本内阁和统帅部内部形成了“不扩大派”和“扩大派”两种不同意见。无论是“扩大派”还是“不扩大派”，在侵华问题上并不存在本质上的分歧，分歧仅仅在于选择全面侵华战争的时机上。“不扩大派”以参谋本部作战部部长石原莞尔等人为代表，他们担心日本目前兵力不足，一旦发动对华全面战争，很可能陷入长期战争的环境，并格外担心苏联会从远东方向出兵夹击日本。相比“不扩大派“，日本军政高层中”扩大派“的人数众多。他们认为，中国是个不堪一击的国家，只需动用三四个师团的军力，就可以征服中国。至于对苏联出兵的担忧，”扩大派“更是不屑一顾，认为苏联正在经历政治大清洗，很多红军的高级将领都被斯大林处决了，严重的军心涣散将导致苏联无力介入。
日本关东军军官几乎都是“扩大派“，得知卢沟桥“又干起来了”的消息后欣喜若狂，认为“目前北方是安全的，所以趁此时机应对冀察给予一击“。当时，参谋本部的工作实际上由作战部长石原莞尔主持。作为”不扩大派“的核心人物，八日晚六时四十二分，石原莞尔以参谋本部”临命第400号“指示，向中国驻屯军发出了命令：“为了防止事态扩大，应避免进一步行使武力。”石原莞尔的命令遭到“陆军部内的强烈反对”。陆军部的军官们已拟出向中国增兵的计划：从关东军抽调两个旅团，从朝鲜军抽调一个师团，从日本国内派遣三个师团，共赴中国华北地区作战。
石原莞尔的命令刚一下达，中国卢沟桥再次爆发战事。黎明即将来临之时，大雨又至。中国军队第三十七师二一九团二营由长辛店驰援永定河，于河西岸向日军发动了反击，双方在铁路桥和龙王庙阵地的争夺中反复拉锯。为夺回并巩固阵地，何基沣旅长亲自率领西苑驻军前来助战。二一九团组成突击队，乘着夜色用绳梯悄然爬出宛平城，在青纱帐的掩护下，沿着永定河向铁路桥靠近，然后突然向日军发起了冲锋。突击队员们没有开枪，而是使用了西北军最著名的大砍刀，日军猝不及防，被砍得血肉横飞。瓢泼大雨之中，一个中队的日军几乎全部被砍倒在铁路桥上。新的一天到来时，夺回了阵地的中国士兵站在永定河铁路桥上，背着的大砍刀在薄明天色的映照下寒光凛冽。
卢沟桥事变发生时，国民政府行政院院长兼军事委员会委员长蒋介石正在江西庐山。八日上午，他收到了宋哲元关于卢沟桥事变的电报。蒋介石的第一个反应是：全面战争可能真的来了。蒋介石制定了应对卢沟桥事变的方针：不屈服、不扩大、不求战、必抗战。蒋介石接连发出的电报，都是基于应战的准备—他命令开封以西部队派出一个师开赴黄河以北，再准备两个师以备随时出动；命令位于平汉铁路附近的第二十六路军抽调两个师，向石家庄或保定集中；命令第四十军及第八十四师同时开赴石家庄；命令正在庐山参加暑期训练团的将领们全部下山归队，准备打仗。
毫无疑问，庐山的蒋介石听到了全国对日的怒吼之声，并且他知道这一次的怒吼不同往常。在作出重大抉择之后，蒋介石希望知道各方民意究竟如何。于是，他给各路军阀发出了一致抗战的号召，并召集他们与各界名流一起上庐山，共商国家对日战争将要涉及的所有问题。令蒋介石没有想到的是，一直与他争权夺利，乃至与他开战厮杀的各路军阀们，这一次竟对他的号召报以了从未有过的热烈响应。
在国民党林立的派系中，蒋介石最强硬的政治对手，是广西的桂系军阀。桂系首领李宗仁和白崇禧收到蒋介石共商大计的邀请后，“不假深思，便复蒋先生一电说，中央既已决心抗战，我辈誓当拥护到底”。桂系决定派白崇禧启程赴庐山面见蒋介石。随即，山西的阎锡山、宁夏的马鸿逵等纷纷表示拥护国民政府抗日；四川的刘湘和潘文华更是表示：“此国难当前，正我辈捍卫国家报效领袖之时”，决定“通电全省，主张于委座整个计划之下，同德一心，共同御侮”。
蒋介石更没有想到的是共产党人的态度。卢沟桥事变发生的第二天，中国共产党中央委员会向全国发出通电，指出只有实行全民族抗战才是救国的唯一出路，并为此决心与国民党人“亲密合作”。同一天，蒋介石接到了毛泽东、朱德、彭德怀、贺龙、林彪、刘伯承和徐向前的联名电报，表示共产党军队愿在国民政府“领导之下，为国效命”。
或许日方感受到了中国人对卢沟桥事变的激烈反应，或许日军在兵力投入与部署上尚未做好全面准备，日方突然提出“和平解决”。九日凌晨三时，中日双方在卢沟桥前线达成协议：一、双方停止射击；二、日军撤至丰台，中国军队撤至永定河西岸；三、宛平城防务由中国保安队接任，人数约二三百人，于当日上午接防。但是，当中国保安队根据协议前往宛平城接防，行至卢沟桥附近的大井村时，突然受到日军的阻击。中午，日方又提出，中国保安队的人数限定为五十人，只能携带步枪和三十发子弹，并由日军旅团长在宛平城内监视中国军队的撤退。除了第三项，中国方面答应了日方的要求，可当保安队准备进城时，又遭到日军的阻击，日军旅团长已命令第二大队向宛平城前进了。