张治中将军向全国发出通电，曰：
治中奉命统率所部，保卫我先祖列宗荜路蓝缕辛苦经营之国土，争取四亿五千万炎黄华胄之生存，誓不与倭奴共戴一天！我为决死求生之自卫，彼为发挥野心之侵略，彼曲我直，彼怯我壮。愿我举国同胞，武装袍泽，共负洗雪国耻收复失地之重任，以百折不挠抗战到底之决心，求得最后最光荣之胜利。擐甲阵词，不胜激越！
8月17日拂晓，张治中部开始全线总攻击。在枪炮声中张将军到前线视察，所见官兵士气高涨，不怕牺牲的精神极为可嘉。中午12时至下午4时，万国体育场附近，战斗异常激烈。敌机限于航程，未能对中国军队形成大的空中威胁，中国空军在连日空战中，击落日机42架。中国陆军在空军配合下，向敌阵地纵深进击。张治中又突然接到南京统帅部暂停进攻的命令。是时，蒋介石对“国联调停”仍存幻想，因此战争打打停停，延误了不少战机，给日军赢得了时间，带来了极为严重的后果。
8月20日，南京政府军事委员会颁布中国军队战斗序列及作战指导计划。将全国划分为5个战区：
第一战区司令长官为程潜，辖平汉、津浦两路北段地区，兵力为第一、第二、第三集团军。
第二战区司令长官为阎锡山，辖晋、察、绥，兵力为第六、七集团军及骑兵第一军等。
第三战区司令长官为冯玉祥，副司令长官为顾祝同、前敌指挥陈诚，辖江苏、浙江，兵力为第八、第九、第十、第十五集团军。
第四战区由何应钦任司令长官，辖福建、广东，兵力为第四、第十二集团军。
第五战区由李宗仁任司令长官，辖山东，兵力为第三、第五集团军。
同时命令第一战区阻击沿津浦、平汉两路南下敌人，并侧击南口敌军；第二战区进攻察北的敌人；第三战区击灭淞沪登陆敌军；第四战区固守闽粤海岸；第五战区防守山东及津浦路徐州地区。
第三战区的全部兵力有19个师另6个旅，张治中的第九集团军围攻淞沪日军；张发奎的8集团军负责杭州湾北岸守备区；刘建绪的第十集团军负责浙东守备区。
围攻淞沪的国军第36师加入第87、第88两师之间，再次向日军发起总攻，并将攻击重点由虹口日海军陆战队司令部改为汇山码头，拟将日军截为两段，再分别围歼之。经一夜激战，第36师突破日军阵地进抵百老汇路，后又进至汇山码头。但官兵伤亡达2000余人。
8月23日晨，日援军第3、第11师团在优势火力掩护下，从张家浜、狮子林、川沙口一带强行登陆。中国守军与之展开激战，未能阻止日军进展。日军夺占了沿江一些重要点，其后续部队陆续上岸。第3、第11师团主力登陆后，即向吴淞、宝山、罗店、浏河之线发起进攻。
中国新编成的第15集团军加入第三战区作战，于8月23日开到吴淞镇以下沿江防线，先后向吴淞、宝山、罗店、浏河方面之敌发动进攻，予日军以重大杀伤，但自己也伤亡甚大，后来罗店、吴淞、狮子林炮台、宝山、月浦镇先后失陷，双方在北站、江湾、庙行、罗店西南、双草墩一线展开激烈争夺战，陷入苦战状态。
冯玉祥担任第三战区司令长官后，于8月16日赴上海郊区南翔指挥作战。他多次致电蒋介石：“兵贵精，尤贵多，诚以非有极厚之兵力，不足以收最后之胜利。”请求调兵增援。
蒋介石屡次敷衍。
冯委任了一批愿为抗日救国献身的人员，冯的旧属人员纷纷前来投奔。前线正急需用人之机，冯这样做壮大了抗日力量。冯又不怕敌机跟踪投弹，到前线直接指挥作战。但蒋介石的亲信将领，对冯的命令只是敷衍，实际上事事都要由蒋介石亲自指挥，将冯的指挥权架空。
冯玉祥痛感前方军事混乱的情况太严重。张发奎对冯说：归我指挥的军队，彼此都不认识，我熟悉的部队只有1个排。8月18日，张发奎问冯：“前头1个连炮队不知哪里去了，是否你下令调开了？”
冯回答道：“我没有下令，也不知道那个连到哪里去了。”
查来查去，才知道是蒋介石隔着战区司令长官、总司令、军、师、旅长等等长官，把1连炮兵随便调走了。
上海绅商学界团体和妇女团体派代表到医院慰劳官兵，蒋介石派特务前去阻挡，不许进去，不许同负伤的官兵谈话。各种慰劳品经特务中转，被特务偷的偷了，拿的拿了。前方伤兵没有医药，没有包扎，更没有担架队。伤兵多半是自己爬出来，死了无人埋葬。医院里重伤员，伤口上长了蛆，散发臭气。冯多次电蒋请求运送药物来，蒋一直拖着不予解决。
冯想派出侦察人员去侦探敌情，也受到蒋介石阻拦。
到了9月上旬，蒋介石划津浦路为第六战区，便将冯玉祥调往该战区任司令长官。冯于9月12日前往津浦路桑园赴任。蒋介石亲自兼任第三战区司令长官。
是时，日军已增兵到20万，坦克200余辆，飞机300余架，军舰70余艘。日军决心将侵华战争的主要方向，由华北转移到上海，作出一副不拿下上海死不罢休的样子。蒋介石针锋相对，决定增兵到70万，并再次调整部署，分左中右3军迎敌；朱绍良任中央作战军总司令兼第9集团军司令，辖第9集团军和第21集团军；陈诚任左翼作战军总司令，下辖第19集团军和第15集团军；张发奎任右翼作战军总司令，下辖第8集团军和第10集团军。
9月下旬到10月初，日军第101、第9、第13师团等增援部队陆续在上海登陆。9月30日拂晓，日军向中国军队发起猛攻，突破万桥、严桥、陆桥等处阵地。刘行方面的中国守备部队陷于苦战，伤亡惨重。第三战区司令长官部令左翼作战军各兵团，向蕴藻浜右岸陈行、施相公庙、浏河之线阵地转移，至10月3日拂晓前，完成新阵地的占领。
10月5—8日，日军第3、第9师团在第11师团和第13师团一部的掩护、配合下，向蕴藻浜地区实施猛攻。中国军队经数日激战，予敌以重大杀伤。11日后，日军继续猛攻，企图进占大场，向南翔发展，截断京沪铁路。中日双方军队在蕴藻浜南岸阵地进行激烈争夺战，中国军队伤亡甚重。
10月15日，第三战区重新调整部署，将蕴藻浜南岸划归中央作战区，廖磊的第21集团军于19日在蕴藻浜南岸地区发起攻击，适逢日军主力亦发动步、炮联合进攻，形成双方大规模遭遇战。中国军队由于装备相形见绌，加之连日战斗，伤亡过大，乃于23日开始撤退。26日，大场失陷。中央作战军遂放弃北站至江湾之间的阵地，向苏州河转移。
日军统帅部急于打开局面，决心采取新的措施，增派第十军在杭州湾北岸登陆，第十军由第6、第18、第114师团组成，柳川平助中将为司令官。又从华北抽调第16师团等部来上海作战。至此，上海周围的日军已达两个军9个师团，比华北方面还多1个师团，日军已把赌注下在上海地区。
第三战区根据战区变化，撤销中央作战军，将全军正面划分为左、右两作战军，分别由陈诚、张发奎指挥。
日军第十军第一梯队登陆兵团——第6师团、第18师团于11月5日拂晓，利用浓雾，在海军、飞机火力掩护下，在杭州湾北侧的全公亭、金丝娘桥、金山卫、金山咀、漕泾等处登陆。
中国军队曾令驻浦东之第62师、独立第45旅和驻枫泾之第79师夹击登陆之敌，并令第一预备师由苏嘉路赶往增援，但部队联络困难，行动迟缓，未能如期实施。日军乘机突进，一举进入黄浦江一线。
11月7日，派遣到上海地区的日军组成华中方面军，司令官是松井石根大将。次日拂晓后，日军第十军主力渡过黄浦江，进入淞江附近，同中国军队第108师展开激战，松江陷落。
第三战区征得南京总参谋部的同意，于11月8日晚命令各部队向吴福线国防阵地转移。但这一撤退命令，遭到蒋介石的严厉反对。他全身戎装，怒气冲冲地来到总参谋部说：
“必须收回撤退命令，要各部队仍回原来阵地死守！”
副总参谋长白崇禧猛吃一惊：天哪！淞沪三角地带的数十万大军已经接到撤退命令，有的已经行动，怎么能收回撤退命令呢，这不是儿戏吗！我军已陷入敌人的重围，已到了千钧一发的危急时刻，再不撤退就来不及了。他站起来说：
“要部队再回到原来的阵地，我看十分困难。”
蒋介石生气地说：“打仗，怕困难还行？”
白崇禧道：“现在收回撤退命令，恐怕来不及了。”
“如果前线将领和部队有意见，我去前线说服！”蒋介石果然乘火车来到苏州前线指挥部，召集军官训话：
“你们坚守上海快3个月了，这在我国战史上是罕见的。你们在前线作战非常英勇，艰苦奋斗，前仆后继，宁死不屈，继承我们黄埔的传统，表现了我们革命军人的伟大精神，博得了国内外的赞扬和支持。有你们这样善于指挥、身先士卒、不怕牺牲的将领，何愁打不败日寇！只要我们在上海再坚决死守一下，九国公约国家会出面制裁日本。因此，我要收回撤退的命令，命令你们仍回到原来的阵地死守，死守！”
中国几十万大军集中在沪西、青浦、南翔至昆山的一条狭窄的公路上，没有接到新的命令的部队在继续后撤，已接“回原阵地死守”新的命令的部队返回，都在这条公路上相遇，向相反的方向前进，公路全堵塞了。人喊马嘶、乱成一团，分不清谁是哪一部分的。将士们怨声载道，骂骂咧咧：“蒋介石一会儿命令撤退，一会儿又下令死守，这么折腾，再好的部队也让他搞垮！”
日军乘机派飞机狂轰烂炸，日军炮兵部队也乘机向中国部队开炮。第三战区70万大军，联络中断，失去指挥，溃不成军。11月12日，上海市区陷入敌手。日军在上海战场上死伤4万多人。中国军队伤亡达30万余人，这在中华民族抵御外侮史上，牺牲之大是罕见的。上海战役失败的主要原因是，蒋介石不听前线将领的建议，朝令夕改。
日军占领上海后，气焰更加嚣张，遂分兵3路，向南京进发。
日军在华北侵占平津后，集30万重兵，以寺内寿一为司令，分3路发起进攻：一路沿津浦路、胶济线进攻山东，一路沿平汉线进攻河北和河南，一路沿平汉线进攻察哈尔和绥远，尔后向西发展，切断同蒲路，南下与平汉线、正太路的日军配合攻取山西。
蒋介石在这一战场上集兵力70万人，约70个师，其中30个师集结于陇海线以北和山西以东地区，27个师集结于山西境内（阎锡山所部），余下十几个师集结于黄河以北和新乡等地。蒋介石的作战方针是：冀、鲁正面战场对日军实行柔性之攻击，以吸引其主力，从而使晋、察、绥等地的部队得以从容展开；而晋、察、绥地区部队则打破日军惯用的包围行动的企图，从而使日军不敢放手对冀、鲁正面战场展开攻击，同时牵制日军，使他们对淞沪作战不能转运兵力。日军极为狂妄，高叫“速战速决”，要在两周内攻下大同，1个月占领华北战略要地山西。8月初，日军调第20师团、及第5、第10师团各一部、第11混成旅团，以第一军司令香月清司为总指挥，沿平绥路发动进攻，目标直指南口。
南口为察、绥、晋3省的门户，战略地位极为重要。南口是第二战区司令长官阎锡山负责的区域。阎锡山统一指挥的部队有：由晋绥军编成的第六、第七集团军，汤恩伯的第十三军，高桂滋的第十七军，刘汝明师，以及8月25日由红军改编的第八路军。八路军由朱德任总指挥，彭德怀任副总指挥，叶剑英任参谋长，左权任副参谋长，任弼时任政治部主任，邓小平为政治部副主任。下辖115、120、129三个师。115师师长林彪，副师长聂荣臻，参谋长周昆，政训处主任罗荣桓；120师师长贺龙，副师长肖克，参谋长周士第，政训处主任关向应；129师师长刘伯承，副师长徐向前，参谋长倪志亮，政训处主任张浩。八路军共计4．5万人。
第七集团军前敌总指挥汤恩伯率所部第十三军及高桂滋的第十七军在南口、居庸关、延庆、怀来一线，依托长城天险和日军展开激战。蒋介石命卫立煌第十四军从石家庄往援南口。阎锡山令刘汝明部及骑兵军分别由崇礼、张北、尚义、商都一带攻击日军，策应南口作战。阎锡山又命傅作义率1师又3个旅增援怀来。
8月20日，察北日军向张家口发起攻击。傅作义不得不率2旅人马回援张家口。卫立煌部增援南口行至永定河右岸，遭日军狙击，卫立煌部旋即被迫撤走，致使南口一线守军孤立无援，战至25日失守。张家口也因刘汝明部作战不力，贻误战机，迅即陷落。
南口、张家口失守后，蒋介石又将汤恩伯第十三军、刘汝明第六十八军（刚由师扩建）调往平汉路。这样一来，山西北部完全暴露。
阎锡山在雁门关下的岭口设立行营，亲自督战。
9月上旬，日军进犯山西门户天镇，击破了李服膺第六十一军据守的永嘉堡、天镇间的国防工事，随即又攻下了阳高城。李服膺部一触即溃，不仅不能按作战计划北移，反而南逃大白登，直抵桑干河南。李部溃败，危及全线，使平绥线正面失去了防御力量。
日军坂垣的第5师团主力沿蔚代公路进攻广灵，在洗马河一带打败了刘奉滨73师，并紧追不舍，直趋广灵。
阎锡山闻讯大吃一惊，认为日军的主攻方向不在大同——雁门关，而是灵丘——平型关。若日军攻占了平型关，就断了雁门关的后路，于是他急调孟宪吉独立第8旅赴平型关，增援73师；另调第六集团军副总司令孙楚到大营，指挥高桂滋部17军、73师以及33军的独立第3、第8两旅，在平型关南北狙敌。阎锡山放弃了大同会战计划，下令放弃雁北和绥远，将李服膺61军、王靖国19军、傅作义第七集团军一律撤至雁门关内。
日军坂垣师团选择中国军队防御空档地区，长驱直入，于9月13日占领了大同。3日内，日军连下呼和浩特和包头，将平绥路全线占领。日军主力从阎锡山的背后插进来，打他个措手不及，阎锡山极为沮丧。
日军主力选择的进攻路线是一个静态的战役走廊，地形复杂，为用兵之大忌。阎锡山认为日军人地生疏，绝不敢冒此风险，因此没有部署兵力防御，而日军偏偏钻了这个空子。日本人怎么对地形了如指掌？阎锡山猛醒：原来他早年的日本土官学校的同窗好友坂垣，于1936年夏作为关东军使者，来山西拜访阎锡山。坂垣不坐飞机，也不乘汽车，而是徒步旅行，他走的就是这条路线，即蔚县到代县的蔚代公路。阎锡山想到这里，暗暗叫苦不迭。
日军的另一路在平汉线上推进。以其第6师团、第14师团和第20师团为主力，目标在于攻取保定，进而攻取石家庄，从而打开晋东的门户，协同平绥线一带的日军攻击山西和河南，以便达到窥视中原的目的。这一线的日军指挥官是坂垣。
驻守平汉线的中国军队是刘峙的第二集团军、卫立煌的第十四集团军、商震的第二十集团军、万福麟的第十三军等。
守卫严密的地段是永定河沿线。
9月初，坂垣指挥日军强渡永定河，同中国守军激战多日、日军以优势炮火掩护，强渡告成，尔后进攻固安、霸县一带。
驻守固安、霸县一带的是孙连仲部冯治安师，冯治安率部猛烈抵抗，杀伤日军甚众，日军集主力猛攻，先后攻占了固安、琉璃河、涿县，使保定陷入三面包围之中。守保定的刘峙见势，无心抗争，一溜烟向南逃走，直撤到河南为止，是撤得最快的一位将军。人们讥他是“长腿将军”。
日军轻取保定。保定既陷，日军得势疯狂，又在10多天内攻占了华北交通枢纽石家庄。接着兵分两路向前推进，形成直指太原的势态。
阎锡山重新集结兵力，沿平型关——茹越口——雁门关——阳方口一线设防，其重点是平型关。
平型关是内长城的重要关塞，地势险要。阎锡山设下“口袋阵”，说是让敌人“进得来，出不去”。他召见将领们，面授机宜。
9月20日，日军下令进攻平型关，一部由灵丘实施正面进攻，一部从广灵、浑源进击，偷袭平型关右侧后。
战斗打响后不久，阎锡山听信了孙楚等对敌情的错误判断，动摇了作战方针，令平型关、团城口一线所部固守，并相机出击。
由浑源南下的日军与高桂滋部接触，随即绕过高部向南穿插，至平型关右侧后，从背后向高部发动攻击。高桂滋屡请增援不上，放弃了团城口阵地，退至大营以北地区。日军遂占领了团城口、鹞子涧、东西跑池一线正面长城阵地。是时，担任正面御敌的73师，早已退至平型关以东、以南一带。
阎锡山多次要求八路军尽快向灵丘方向开进，阻滞日军的攻势。林彪、聂荣臻的115师急驰晋东北前线。林的部队进逼悄然而隐蔽，9月中旬，主力到达平型关西面的大营镇。
林彪扎下部队，带了几个警卫、参谋人员和电台，乘汽车急趋灵丘。是时灵丘已在激战，车到灵丘，林彪等人下了车，已见炮弹在城内炸响，硝烟弥漫，日军已推进到离城10里的地方了。林彪了解战况后，即发电命令部队不必赶来灵丘，立即向平型关急进设伏。他预计灵丘必守不住，日军一旦攻占灵丘，必然西犯平型关，那里定有一场好仗。电报发完，林彪即在炮火中离去，单车向平型关方向驱进。
9月23日，115师主力刚到达上寨，林彪也就赶到，是时，灵丘已经失守。林彪马上召集全师连以上干部开会，他动员说：
“中华民族正在经历着巨大的考验！我们共产党人一定能承担起救国救民的责任！我们一定要利用这里的有利地形，打一个大胜仗。”
林彪命令独立团和骑兵营插到灵丘与涞源之间和灵丘与广灵之间，截断敌人交通线，阻止敌人增援，以343旅两个团为主攻，344旅一个团到平型关北面断敌退路，一个团作预备队。攻击部队在平型关东侧山地设伏，准备给敌以猛烈打击。
当晚，乌云盖顶，寒风飒飒，部队悄然疾行，天却下起大雨来，全师无有雨具，冒着倾盆大雨，于次日拂晓前到达平型关东北预定的伏击地区。官兵们身着透湿的衣服，卧在潮湿的地上。此时雨过天晴，天地间一片宁静。
日军开始在地平线上隐约晃动，素称精锐部队的坂垣师团之第21旅团，约4000余人，走成一路纵队从山谷里走向伏击区。敌汽车100余辆，大车200余辆行驶在泥泞的道路上，如入无人之境，摆出一副骄横的样子。
敌人已全部进入伏击圈，林彪命号兵吹冲击号。全线部队以排山倒海之势，迅猛向敌人冲击，115师在10余里长的地段上如从天而降，一齐呐喊向公路猛攻，日军立时被截成许多段。我军利用地形，先以手榴弹炸毁敌人汽车，使敌无法逃走。因敌突遇袭击，数千人的部队即在窄狭的山谷中乱作一团，汽车、大车、马匹、兵士相撞击。
115师乘敌混乱之际，向敌展开猛烈冲锋。685团5连和686团1连，首先冲到公路与敌展开白刃战。其他部队也迅速冲杀过去。
日军万分狼狈，慌忙凭借被炸破的汽车、水沟和老爷庙等有利地物或地形进行抵抗。115师第二梯队迅速越过公路，夺占了老爷庙有利地形，将残敌分割包围起来。涞源、蔚县之日军，企图增援被包围在老爷庙地区的21旅团，但途中遇到了115师杨成武独立团和骑兵营的狙击，而不能得逞。日军来了飞机在上空飞来飞去，但下面已厮杀一团，毫无办法地飞去。
经过一天激战，歼敌3000余人，击毁汽车100余辆，大车200余辆，缴获大炮1门，轻重机枪20余挺，步枪1000余枝，日币30万元，以及大量军用物品，单是军用大衣，就够115师每人一件。在战斗中，115师伤亡600余人。
平型关战斗是中国抗日史上取得最大胜利的一仗，打破了日寇不可抗拒的神话。
八路军115师还想一举消灭东跑池处3000余名日军。林彪请杨爱源调兵合击，杨命郭宗汾师火速行动，但郭却不听命令。杨爱源大怒，严令郭宗汾部出动，郭仍不听。杨忍无可忍，急告阎锡山。阎锡山闻讯拍案道：
“这还了得！有不听军令贻误战机的，军法从事！”
阎当即带了一名执法官，连夜驰往平型关，传令：“召郭宗汾来见。”
郭宗汾来见阎锡山，见阎怒气冲冲，便使出浑身解数来辩解，他言语滔滔，讲得阎锡山火气顿消。
由于郭宗汾部不援，日军经东跑池向西北突围出去。