驻平津前线的中国第29军，面对日军的包围和挑衅，进行了一些战备工作。与此同时，还加强了宛平卢沟桥地区的防御部署。守卫接防后，即以得到加强的第3营(共1400人，营长金振中)部署于宛平城和卢沟桥一带；以第1、第2营和团部集结于长辛店地区。该团官兵发誓：“宁为战死鬼，不当亡国奴”，抗日斗志高昂。
日军在威胁利诱宋哲元和第29军失败后，即从军事上步步进逼，蓄谋重演“九·一八”事变的故伎。为此，日军从1937年5月起，频繁地在宛平卢沟桥附近举行挑衅性军事演习。7月6日，驻丰台日军要求通过宛平城到长辛店一带演习，遭到驻军拒绝，但日军坚持不退，至晚始返丰台。
1937年7月7日夜间，驻丰台日军1个连未经中方允许，即以军事演习为名，到卢沟桥之回龙庙—大瓦窑中国驻军防区附近耀武扬威。深夜零时许，日本驻北平特务机关长松井太久郎电话告知中国冀察当局，诡称：日军在卢沟桥演习时，失落士兵一名，要求进宛平城搜查。日方的无理要求遭到中方拒绝后，仍坚持要派兵入城，否则“将以武力保卫前进”。
冀察当局为防止事态扩大，经与日方商量，双方先派人进城调查，再寻处理办法。正当双方交涉之际，中国驻屯旅已令丰台日军第3营赶赴卢沟桥待命。不久，日方虽得知失踪的士兵已归队，但仍提出让日军进至东门城内数十米处，再行谈判的要求，又遭中方拒绝。7月8日晨5时，正值双方商讨调查办法之际，日军突然向宛平中国守军发起攻击，中国第29军金振中营被迫奋起还击，由此揭开了日本全面侵华和中国全国性抗战的战幕，同时这也是第二次世界大战在东方的爆发。
7月8日，中国共产党就通电全国，大声疾呼：“全中国的同胞们！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！我们要求立刻给进攻的日军以坚决的反攻，并立刻准备应付新的大事变。”同一天，红军将领致电蒋介石，表示“愿在委员长领导之下，为国效命，与敌周旋，以达保家卫国之目的”。
7月8日，日军三次炮击和进攻宛平驻军，并攻占了永定河东岸的回龙庙附近和铁路桥以南部分地区。随后，又调集兵力，调整部署，准备9日进攻宛平城。
7月8日夜，中国第29军副军长秦德纯与日本驻北平特务机关长松井举行会谈，至次晨2时达成3项口头协议：(1)双方停止射击；(2)日军撤至丰台，中国军队撤到永定河西岸；(3)宛平由冀北保安队接防。但是日方意在缓兵，拒绝执行停火撤军协议。
7月9日，中国共产党代表周恩来等前往庐山会见蒋介石，共商抗日救国大计。在9日、10日两天之内，丧信弃义的日军四次违约两次进攻宛平驻军，并复占铁路桥和回龙庙地区。10日夜，第29军展开猛烈反击，终将失地夺回。日军退至大枣山及其以东地域待援。
日军挑起卢沟桥事变后，7月11日上午，日内阁五相会议通过了杉山陆相提出的派兵案，即：从关东军抽2个旅，从朝鲜军调1个师，从国内派3个师和18个飞行中队，到华北参战。同时，会议还将“七·七”事变改称“华北事变”。接着，近卫首相和陆海军首脑分别上奏天皇，均获批准。
11日下午，日本政府发表了《派兵华北的声明》，诬陷中国第29军挑起了卢沟桥事变，声称：“内阁会议上下了重大决心，决定采取必要措施，立即增兵华北。”随后，近卫首相连夜召集贵、众两院议员代表、财界实力人物和新闻界人士开会，介绍内阁决定出兵的决心，争取各界支持。同日晚，日陆军参谋部分别向关东军和朝鲜军发布命令，迅速动员指派的部队向华北开进。这一天，陆海军还就在华北协同作战问题达成了协议。与此同时，日本天皇钦命教育总监部部长香月清司中将接任中国驻屯军司令官。
7月12日，香月赶赴天津后，立即召开军事会议，决定动用第一批增援的兵力，一举歼灭中国第29军，并于7月20日前“作好适应全面对华作战的准备”。7月15日，日陆军参谋部下令组编临时航空兵团，并将其所辖之18个飞行中队调往中国东北待机。
7月15日至17日，日陆军参谋部又相继作出《形势判断》，制定了《对华作战要领》和《在华使用兵力时对华战争指导大纲》，认为，“迅速收拾时局下最大决心的时机已经到来”。规定作战方针是，“尽量限定于华北作战”，“根据情况，预计可能转向全面对华战争”。接着，增派的日军源源不断地运往中国。
7月13日，毛泽东在延安召开的共产党员和工作人员会议上，号召大家“完成一切必要的准备，随时出动，到抗日前线”。7月21日，中共中央发出内部指示，针对事变发展可能出现的对日积极抗战或者对日妥协的两种前途，提出的总任务是：争取第一个前途的出现，反对一切丧失任何中国领土主权的妥协。
7月23日，中共中央又发表了《为日本帝国主义进攻华北第二次宣言》，号召所有中华民族的儿女们：“紧密的联合起来，紧急动员起来，拼着我们民族的生命去求得我们民族的最后胜利！”
与中国共产党坚定的抗日立场相比，国民政府迟迟未下决心，痛失战机。“七·七”事变爆发后，蒋介石和国民政府提出了“不屈服、不扩大”和“不求战，必抗战”的方针。一方面，在军事上进行部署，准备应战。另一方面，蒋介石和国民政府急欲与日本政府直接交涉或由地方当局与日军代表折冲，以便早日和平解决；同时，还把希望寄托在列强的干涉上。为此，蒋介石采取了诸多谋和行动。
但是，所有的措施最终均成泡影。在此种情况下，蒋介石被迫于7月17日在庐山发表应战谈话。谈话提出了解决事变的4项原则：(1)任何解决，不得侵害中国主权与领土之完整；(2)冀察行政组织，不容有任何不合法之改变；(3)中央政府所派地方官吏，如冀察政务委员会委员长宋哲元等，不能任人要求撤换；(4)第29军现在所驻地区，不能受任何约束。谈话还阐述了“只是应战，而不是求战”的抗战方针，指出：“我们知道全国应战以后之局势，就只有牺牲到底，无丝毫侥幸求免之理。”
蒋介石的这个谈话确定了准备抗战的方针，为国民党多年以来在对外问题上的第一次正确的宣言，因此，受到了全国同胞的欢迎。但是，蒋介石依赖外援、和平解决事变的幻想，并未打消。
卢沟桥事变的爆发，推动了国共第二次合作，促进了全民族抗战，标志着第二次世界大战在东方首先开始。
日本中国驻屯军，一面压迫宋哲元接受种种苛刻条件，一面调兵遣将，加紧部署。到7月20日，第一批增援之第20师已抵达天津、唐山、山海关一线；独立混成第1旅和第11旅，分别集结于怀柔和高丽营地区。日军进攻平津的条件已经成熟，只待时机和借口了。
7月25日，日军第20师一部以修理军用电话为名，闯入廊坊车站与中国守军发生冲突，制造了廊坊事件。7月26日，驻天津日军一部由丰台分乘26辆卡车冒充日本领事馆卫队演习返回北平城，被广安门中国守军以武力阻止，制造了广安门事件。
廊坊和广安门事件发生后，对正在寻找进攻借口和时机的日本当局来说，如获至宝。经天皇批准，日陆军参谋部立即命令中国驻屯军向第29军发动攻击，并下令国内进行第二次动员，增调5个师约20万人到中国。此时，日本中国驻屯军也下达了进攻第29军的命令，决心集中1个师和3个旅在临时航空兵团配合下，首先攻占北平。
廊坊、广安门事件发生后，宋哲元深感日军大举进攻迫在眉睫。26日，他连续两次致电蒋介石，报告平津形势，并请求援助。蒋介石复电说：增援平津，可直令孙连仲部加入。并令宋哲元：北平城要立即准备开战，宛平应死守勿失，决心大战，从速部署。27日，宋哲元下令设城防司令部，以张维藩为城防司令；任命正接防的第132师师长赵登禹为南苑方面司令官。同时，将军部由南苑移到北平城内怀仁堂；又派戈定远星夜驰赴保定，催孙连仲、万福麟等部迅速北上，协同第29军作战。同日，宋哲元还向全国发出了“自卫守土”通电。
28日，在香月清司指挥下，日本中国驻屯军开始向北平附近的第29军发起总攻。日军从东、南、北三面突然向南苑兵营发起攻击。由于中国驻军仓促应战，再加上战前营区周围没有构筑坚固工事，守军只能凭借营区围墙，进行顽强抵抗。日军在飞机和火炮大力支援下，反复向营区发动猛攻。经过5个多小时的激战，日军攻占南苑。
28日，与主攻南苑相配合，日军也分别向西苑、北苑和黄寺等地的第29军展开进攻。28日23时，宋哲元任命张自忠代理冀察政务委员会委员长兼北平市长，自己离平去保定。北平城内及其附近的第29军主力亦开始向涿县方向撤退，另一部则向南口方向突围。29日，北平遂告沦陷。
日军集中主力进攻北平时，天津兵力空虚。中国第29军驻天津之第38师一部，在副师长李文田指挥下，于7月29日晨乘隙向天津日军发起进攻，并袭入东局子飞机场，攻占了天津火车总站和东站。日本驻屯军司令官闻讯后，立即抽调北平第20师一部和关东军堤支队增援天津，并以临时航空兵团对天津守军及和平居民进行狂轰滥炸。在日军猛烈反击下，中国军队伤亡不断增加，遂于30日撤至马场方向，天津终陷敌手。
“七·七事变”日军占领平津后，日本陆军准备把战争扩展到全华北之际，日本海军抢先一步，点燃了上海的战火，把战争由华北扩展到了华中。
其实，早在7月12日，日本海军军令部就制定了对华作战的秘密计划，确定第一阶段配合陆军进行华北作战，第二阶段在陆军配合下进行上海作战，并进而把战争扩展到华中和华南。7月16日，驻上海日本海军第3舰队司令官长谷川清发现军部的上述意图后，立即上书东京陈述《对华作战用兵的意见》。
7月28日，日本当局下令撤退长江沿岸的日侨。8月8日，又要求第3舰队做好开战准备。
8月9日18时30分前后，驻上海日本海军陆战队中尉大山勇和水兵斋藤要藏，驱车冲进上海虹桥机场警戒线内挑畔，中国保安队阻止无效，将他们当场击毙，史称“虹桥事件”。
日本当局立即利用这一事件大作文章，要求中国政府撤出上海保安队，拆除一切防御工事。8月10日，日本陆海军紧急磋商，向上海派兵，并得到内阁的同意。
8月13日9时，日本内阁会议正式确认了派兵上海的方针，并批准了陆军省的派兵案。当天上午，日本海军陆战队在上海北站和北四川路之间同中国驻军发生武装冲突。日军以虹口日租界为依托，先向天通庵、横浜路一带发起进攻，接着以主力向宝山路、八字桥、天通庵进攻，均被中国军队击溃。于是，“八·一三”上海事变爆发。
8月14日，中国国民政府发表《自卫抗战声明书》，指出：“中国为日本无止境之侵略所逼迫，兹已不得不实行自卫，抵抗暴力。”并调集陆军和空军投入自卫战斗。同一天，日本海军还派海军航空兵轰炸了华中地区的杭州、南京和南昌等城市。
8月14日晚，日本内阁召开临时紧急会议，内阁成员要求进行全面对华战争，迅速建立战时体制，正式对华宣战。8月15日，日本发表了《帝国政府声明》，声称：“为了惩罚中国军队之暴戾，促使南京政府觉醒，如今不得不采取断然措施。”还称：此举是为了“消灭类如此次事变所由发生之根源，并达到日、满、华三国融合和提携”之目的。这个声明，“把处理事变的目的，从解决局部事件扩大到全面地、根本地处理调整日华关系。”它表明日本政府即使进行“全面战争也在所不辞”。
8月15日，日陆军参谋部还下令实行第三次动员，并下令组建了以松井石根为司令官的上海派遣军，要求其迅速开赴上海作战。8月18日，天皇裕仁召见陆海军两总长，提出了重点用兵，迅速结束战争的方针。陆海军省、部之间经过协商，决定陆军以华北为主战场，海军以华中为主战场，并对沿海实行封锁，切断中国的对外经济联系。8月下旬，日本从国内抽调的增援部队相继运抵华北和上海前线，并开始投入当地的作战。
8月24日日本内阁四相会议决定，以天皇在第72届临时议会开幕式上的敕语代替宣战诏书。9月2日，日本内阁会议在讨论施政方针时，鉴于战争已由华北扩展到了华中，遂决定将“华北事变”正式改称“中国事变”，并于同日宣布。至此，中日战争已在华北和华中战场全面展开。
