九月十八日，沿着津浦路，日军第十师从马厂、青县开始南下，首先向中国守军第一八一师阵地发起攻击。第一八一师刚从地方保安部队改编而成，官兵极低的作战素质致使阻击阵地很快丢失。二十一日，日军开始攻击中国守军第五十九军的主阵地，第五十九军只抵挡了两个昼夜，阵地也丢了。二十三日，日军的攻击线已推进到第四十、第四十九军的正面。日军攻击十分凶狠，先是航空兵群对中国守军的阵地、阵地后方以及两翼进行连续轰炸和扫射，接着炮兵集中火力对中国守军的主阵地实施压制和破坏性射击，然后步兵在坦克和装甲车掩护下攻击推进。
中国守军阵地在第一时间就遭到严重击毁，官兵尚未作战就出现的大量伤亡导致姚官屯阵地出现危机。第一0九师奉命增援前沿，黄昏时分才将突入前沿的日军反击回去。二十四日，天还未亮，日军航空兵和炮兵的轰击便又开始了，步兵随后沿着铁路两侧向前突击。为了加强阻击阵地，冯玉祥命令第五十九军一部和集团军总预备队一部策应一线作战。中国守军虽然奋力苦战，姚官屯等阵地还是相继被日军突破。二十五日凌晨，日军追击至沧州城郊，第一0九师阵地受到更为猛烈的轰炸，在战场前沿，双方很快进入了残酷的白刃战。在这天的战斗中，仅六四九团就有三百多官兵在白刃战中伤亡。
沧州失守后，日军紧追不舍。为了争取喘息的时间，第一集团军代总司令冯治安下令扒开运河。滔滔运河水造成了沧南的泛滥，中国守军位于沧南的预设阵地全部淹没，南撤的部队根本无法在沧河南岸停住脚步进行防御，本已陷入混乱的部队只有沿着津浦路继续向南皮、冯家口一线撤退。
此时，一个更令人忧心的消息传来了：平汉路上的重镇保定已经失守。负责平汉路防御的中国守军是刘峙指挥的第二集团军。八月初，依据国民政府于卢沟桥事变后制订的第一集团军反攻天津、第二集团军反攻北平的预想，刘峙曾充满自信地制订出一个反攻北平的作战计划。但是，到了九月初，从张家口南撤至蔚县的刘汝明的第六十八军又开始南撤，致使平汉路以西的涞源告急，不但刘峙部的侧翼已经不安全，且蒋介石还命令他抽出三个团去防守涞源时，刘峙反攻北平的雄心壮志顿时烟消云散。就在这时，他得到了日军准备沿平汉路大举向南攻击的情报，只有匆忙沿平汉路两侧和纵深部署第二集团军的防御。
孙连仲的第一军团防守房山、周口店、黑龙关一带；裴昌会的第四十七师防守涿县、马官屯和长沟镇一带；曾万钟的第三军除增援涞源的三个团外，其余部队防守高碑店以南的定兴一带；檀自新的骑兵第十师防守长安城、马头镇一带；关麟征的第五十二军防守满城、漕河头、保定一带。这个从北向南的阶梯式展开的部署，既没有防御重点，也没有各部队间的协同关系。沿平汉路南下，是日军的主攻方向，由香月清司中将指挥的第一军担负作战任务。第一军的三个师团在五个炮兵联队和两个坦克大队的支援下，于九月十四日分三路齐头推进，其投入兵力之大攻击来势之凶，完全出乎了刘峙的预料。
首先发起攻击的是土肥原贤二指挥的东侧第十四师团。上午九时，攻击刚一开始，当面守军的阵地就出现了动摇。两个小时后，日军第十四师团突破当面抵抗，强渡了永定河。谷寿夫的第六师团也于下午二时开始渡河，向宋哲元的第一集团军与刘峙的第二集团军的结合部，即津浦路与平汉路之间的固安一线发起攻击。面对日军的大举进攻，刘峙下达了迎击日军的命令，要求各部队勇猛出击，不得已时至少要固守大清河的西岸。但是，土肥原贤二的第十四师团十五日拂晓已经进至拒马河，当晚全部渡河完毕，这就意味着日军已经通过了紫荆关，急速推进到了位于涿州、高碑店一线的中国守军的背后。
谷寿夫的第六师团也通过了难以通行的低洼湿地，与向固安赶来的中国军队迎面撞击。曾万钟的第三军在苦战中伤亡两千五百余人，残部侥幸冲出重围。而檀自新的骑兵第十师本应当面阻击越过拒马河的日军，但是部队尚未见到日军步兵，就在日军飞机的猛烈轰炸下渡过大清河逃回了涿县。刘峙命令第四十七师师长裴昌会协同第三十一师池峰城部的一个团迅速将日军击退，并投入预备队四个营在涿县、松林店之间占领阵地；命令擅自新的骑兵师在涿县东北山地实施搜索，协助池峰城部固守涿县县城和附近阵地；命令第三军军长曾万钟立即派出部队阻击迎面日军。但是，刘峙的部队尚未调整好，日军第二十师团的攻击开始了。
日军第二十师团的攻击目标，是北平西南房山以北的孙连仲部。孙连仲的第一军团属西北军，辖第二十七、第三十、第三十一师和独立第四十四旅，卢沟桥事变后，该部奉命从湖北孝感和应山北上，集结于保定地区待命。日军向平津发动攻击时，该部向北平前进迎敌，曾与日军在良乡、琉璃河附近激战多日，官兵继承西北军使用大刀的传统，坚守阵地，给日军极大的杀伤。南口战役时，为策应汤恩伯的战场，该部曾向良乡的日军实施反击，给日军造成了局部混乱。这一次，面对当面强悍的日军师团，孙连仲亲率第三十师防守房山西南的高地，同时命令第三十一师防守明顶山，第二十七师防守琉璃河。
日军的攻击刚一开始，孙连仲就感到了极大的压力：明顶山阵地的中国守军死拼不退，直到一个连的守军全部阵亡；窦店阵地始终处于炮火的攻击下，守军营长因部队的巨大伤亡而不知所措，最终擅自撤退。窦店丢失后，日军第二十师团强渡永定河向高碑店迂回。由于琉璃河阵地过于前突，第二十七师放弃阵地向涿州转移，试图与第三十、第三十一师共同组成新的阻击线。但是，中国守军的阻击线尚未形成，日军第二十师团跟着杀了过来。受到凶猛冲击的中国守军一片混乱，各部队在雷雨之夜仓皇撤退。
孙连仲部在房山与琉璃河一带，自卢沟桥事变以来坚守了一个多月，因部队伤亡惨重多次请求刘峙增援，而刘峙始终没有增援一兵一卒，最终部队撤退时也没有得到任何掩护，这导致了孙连仲与刘峙之间裂痕纵深，平汉路防御战的前景由此更加令人不安。