日军参谋本部在部长会议上确定：“立即中止天津军对冀察的交涉，转为作战行动。”这一天，日军增兵部队两万五千人抵达，连同中国驻屯军在内，日军在中国平津地区的兵力已达三万以上。得知日军正向北平大规模集结后，宋哲元终于明白战争已经无法避免。出于一位中国军队将领的良知，他开始考虑并部署备战问题。他命令第三十七师停止移防涿州，第一三二师在永定河以南集结，独立第二十七旅进入北平担负城防。但是，一切都为时已晚。为彻底占领并控制中国平津地区，日本驻屯军决定，首先肃清北宁铁路天津至北平间主要车站上的中国守军，以便打通华北这两座大城市之间的交通。
廊坊车站，天津至北京间的一个大站，由第二十九军第三十八师第一一三旅旅部率二六六团驻守。二十五日下午四时半，日军的一个中队乘火车到达这里，并开始在车站内构筑作战工事，声称他们要维护日军军用电线。第一一三旅旅长刘振三和二二六团团长崔振伦随即与日军交涉。但日军竟然要求中国守军退出车站，两军随即发生冲突。日本驻屯军立即命令第二十师团第七十七联队和驻屯军步兵旅第二联队第二大队前往增援。二十六日拂晓，日军的飞机轰炸了廊坊中国驻军的兵营，陆续到达的地面部队同时向廊坊车站的中国守军发动了猛攻。因作战实力悬殊，中国守军于中选十二时向通州方向撤退，廊坊车站遂被日军占领，平津之间的铁路交通被日军切断。
廊坊冲突后，香月清司随即向第二十九军发出了最后通牒，要求第三十七师必须于二十八日中午前全部撤出北平城区。最后通牒发出的同时，驻屯军第二联队第二大队从廊坊乘火车向北平开进，抵达丰台车站后，分乘二十六辆卡车扑向北平城，于黄昏时分抵达广安门，谎称是刚从城外演习回来的日本总领事馆的卫队，要求进城。广安门的中国守军，是第二十九军第一三二师刘汝珍团的一个连，眼见日军要强行冲关，中国守军立即向日军开火，两军在广安门城门前发生战斗，战斗持续了三小时，最终一部分日军冲进城内，一部分被阻挡在城外。
到了此时，宋哲元才彻底明白，他对日本人抱有的所有幻想已经化为泡影，他对中央军取而代之的担忧已经为日本人所利用，而日军以全歼他的第二十九军为目标的军事行动已经开始。三天前还在要求北上部队稍事后退的宋哲元不得不致电南京，报告平津局势“实堪危虑”，请求“速派大军由平浦线星夜兼程北进，以解北平之围”。蒋介石回电，命令第二十九军死守北平勿退，并请宋哲元不要在北平停留片刻，迅速赴保安指挥即将到来的大战，并承诺中央政府一定全力增援。
廊坊事件和广安门事件，与“九一八”事变、“一二八”事变一样，都是日军有计划的军事行动。事件发生后，日军陆军大臣杉山元上奏天皇批准，下令全国动员，拟向中国派出规模约二十一万人的作战部队。几乎同时，增援平津地区的中国军队也开始向北推进。仓促应战的宋哲元于二十八日向第二十九军各部队下达了平津地区防御作战命令。二十八日上午八时，香月清司指挥增援日军第二十师团、关东军独立混成第一、第十一旅团以及中国驻屯军步兵旅团，在空军的支持掩护下，向驻守北平北苑、西苑和南苑的中国守军发起全面攻击。
南苑地处北平南郊，自此处可长驱直入永定门。这里防守的，除副军长佟麟阁率领的军事训练团外，还有第二十九军特务旅的两个团、第三十八师师部特务团、第三十八师第一一四旅的两个团以及骑兵第九师的三个团、高炮营、装甲汽车大队，总计约七千人，由临时从城内赶来的第一三二师师长赵登禹担任总指挥。赵登禹到达后，立即命令第一三二师第一、第二旅连夜驰援。但是，援军尚未抵达，日军的进攻就开始了。日军第二十师团主力在四十架作战飞机的配合下，自东、南两面实施主攻，独立混成第一、第十一旅团从北面实施助攻，集结于丰台的日本驻屯军旅团主力切断了南苑通往北平城的退路。中国守军很快就被日军包围在狭小的营区内，仅仅凭围墙作掩护进行抵抗。
这是中日双方在平津地区首次真正意义上的作战。尽管副军长佟麟阁和总指挥赵登禹身先士卒，中国守军官兵不怕牺牲拼死抵抗，但由于事先没有战争准备和作战预案，且各部混杂在一起难以协同，致使战事初起中国守军便伤亡惨重。日军随即投入了装甲部队，很快攻占了大红门一带，从而完成了对南苑中国守军的全面包围。中国守军开始撤退。副军长佟麟阁在大红门附近收容部队向北平撤退时，腿部中弹负伤，在坚持指挥作战中被敌机炸弹击中，当场阵亡。总指挥赵登禹手持大刀督战，遭到日军伏击后，于冲杀突围时胸部中弹阵亡沙场。五个多小时后，南苑被日军攻占。中国守军伤亡两千人以上。
两位将军阵亡，举国震惊，同声哀悼。国民政府发布褒恤令，追认佟麟阁、赵登禹为陆军上将。南苑失守后，日军随即占领丰台、清河、沙河等地。北平已经门户洞开。经过紧急磋商，决定平津防务和政务交由张自忠负责，宋哲元当晚与冯治安、秦德纯等人一起撤往保定。二十九日凌晨，第二十九军残部大部分撤出北平。其中第三十七师独立第三十九旅旅长阮玄武投敌。滞留城内的第一三二师独立第二十七旅被日军解除武装。张自忠躲入了德国人开办的医院。第二天，由日方组织的以年近七旬的汉奸江朝宗为委员长的北平维持会成立。
北平陷落的消息传到了天津。驻守天津的中国官兵决定主动出击，和日军决一死战。驻守天津的中国军队，尚有第二十九军第三十八师副师长兼天津公安局局长李文田指挥的约五千多人，这些部队是第三十八师手枪团、独立第二十六旅的两个团、天津保安队三个中队和一千多人的武装警察。日军在天津尚有步兵三个大队以及临时航空兵团等部队，兵力约五千人左右。二十九日凌晨一时，天津的中国守军出击了。由于对天津火车总站和火车东站采取的是偷袭战术，战斗进展顺利：由独立第二十六旅的朱春芳团长率领的二营和一个保安中队，在炮轰天津火车总站后发起攻击，将那里的日军压迫至车站仓库的口上，总站随即被中国官兵占领。火车东站的战斗进行了两个小时，那里的日军基本上被消灭。
天津的战局从二十九日下午开始恶化。日军飞机开始对天津全城狂轰滥炸，中国官兵和天津市民的伤亡急剧增加。要求增援的电话一再打到第三十八师总指挥部，而总指挥部所在地被日军发觉，遭到了飞机的猛烈轰炸，加上汉奸的破坏，总指挥部与各部队的联络中断。由于各处战斗伤亡很大，预备队也所剩无几，天津的中国守军残部只能撤退。二十九日黄昏，天津沦陷。卢沟桥事变爆发二十二天后，北平和天津相继失守。中国军队第二十九军全军官兵伤亡达五千余人。日方的伤亡统计是：“战死一百二十七人，伤三百四十八人，合计四百七十五人。”