7月27日，一封加急电报从北平发往南京。宋哲元向蒋介石报告称：“北平为华北重镇，人心所系，大事所关。现在已成四面皆敌之形势，通县于今晨三时起，亦正在激战中。职受国家与人民付托之重，已决心固守北平，以安人心，而作士气，决不敢稍有畏避也。”
这一天，蒋介石也终于彻底摒弃了“缓战”、“避战”之想，他明确指示宋哲元务必固守北平、宛平各城，同时调集大量中央军北上支援。他在日记中鼓励自己：从此“当一意作战，勿再作避战之想矣”。
此时，二十九军将士在宋哲元的指挥下，已经开始了全面的抵抗。据南京派驻北平的代表报告称：“和平已绝。宋及二十九军将领已决心与城共存亡。至城外各方面，皆布置完毕，即行应战。望转电何公（指何应钦）速派大量飞机及军队北来。”遗憾的是，仓促之间，哪里能调集大量的战斗机北上，况且，北方的机场年久失修，即使有大批飞机北上，后勤也没有保障。
28日，北平大战开始。数以万计的日军，在飞机和坦克的掩护下，分别向北平、天津以及邻近各战略要地大举进攻。
28日拂晓，北平城外南苑，约40余架日军飞机对二十九军司令部进行了轮番轰炸。在飞机配合下，日军约三千机械化部队从地面发动猛烈攻击。战斗进行得十分激烈，守军阵地在敌人的狂轰滥炸下，血肉横飞，惨不忍睹。不久，南苑失守，第二十九军副军长佟麟阁、第一三二师师长赵登禹等多名高级军官壮烈殉国，这是抗战以来，中国军队牺牲的最高级别的将领。
同时，西苑、北苑也在日军猛烈攻击之下。由于没有巩固的防御工事，且通讯设备被炸毁，中枢指挥失灵，战场一片混乱，二十九军的抵抗迅速被拥有优势火力的日军所击破。
当天午后，宋哲元在北平城内召集北平市市长秦德纯、第三十八师师长张自忠等人举行紧急会议。决定退守保定，而以张自忠代理冀察政务委员会委员长及北平市长，留在当地。宋哲元与秦德纯则于下午9时离平出发，前往保定。继之，第二十九军官兵也在夜半怀着悲愤的心情、默默地离开了古城北平。
消息传来，蒋介石心头腾起一股无可言状的悲哀。初战就如此之快地损兵折将、失地陷土，看来，这场无法避免的较量对中国来说是艰险重重啊！不过，对北平的沦陷，蒋介石似乎早有预感。他在北平失陷当天的日记中说“历代古都，竟沦犬豕矣。悲痛何如！然此为预料所及，故昨日已预备失陷后之处置，此不足惊异也”。
此时，在天津方面的中国守军更是陷入了重围。面对合围而来的优势日军，中国守军为避免全军覆没，先行发起了进攻，拼死一搏，谋作最后之抵抗。由第三十八师副师长李文田所率领的部队，于7月29日中午前，反攻企图占领天津警察机关的日军，一度夺回为日军所占据的飞机场及火车东站、两站，但在日军的飞机轰炸与炮击之下，不得不于次日放弃了天津。
此役中，为了摧毁敌人的窄中优势，部分守军携带汽油冲进东局子机场。天不悯人，他们的火柴被汗水浸湿，没能及时点火。在日军的反扑下，战士们用刀和手榴弹与日寇展开了搏斗，虽然勇士们无一生还，他们硬是摧毁了10多架日机。
二十九军在北平、天津的战争中，伤亡官兵超过五千人。
随着居于河北心脏部位的平、津重镇沦陷，战局进入了新的阶段。7月29日，蒋介石在南京接见新闻记者，发表了对时局的看法：“军事上一时之挫折，不得认为失败；而且平津战事不能认为已经了结。日本既蓄意侵略中国，不惜用尽种种手段，则可知今日平津之役，不过其侵略战争之开始，而绝非其战事之结局。国民只有一致决心，共赴困难。”
2．全体起立，赞成对日作战
日本人并不满足于占领平津，他们要乘胜追击，妄图占领整个华北。
蒋介石也调兵遣将，向河北、察哈尔不断增兵，以图挽回局势。他将驻扎绥远省平地泉的第十三军移驻察哈尔省要冲张家口，其所属八十九师主力则于8月6日从为北平北方大门的居庸关越长城南下进驻南口，由北而南向北平推进。
在孙连仲指挥之下的二十七师，则于8月10日挺进到北平西南方5公里的窦店，由南而北逼近北平。
空军也于8月21日完成河北作战的准备。
不过，平津失陷毕竟给中国的抗战带来了一抹浓重的阴影。虽然时局更加灰暗，但是蒋介石清醒地意识到，绝对不能因此影响军队的斗志。为鼓舞士气，7月31日，蒋介石发表《告抗战全体将士书》：
这几年来的忍耐，骂了不还口，打了不还手，我们为的是什么？实在为的要安定内部，完成统一。充实国力，到“最后关头”来抗战雪耻。
现在，和平既然绝望，只有抗战到底。那就必须不惜牺牲来和倭寇死拼。我们大家都是许身革命的黄帝子孙，只有齐心努力杀贼，驱逐万恶的倭寇。
华北的战事进展也使得蒋介石意识到，中日之间的这场战争