27日，宋哲元下令设城防司令部，以张维藩为城防司令；任命正接防的第一三二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，协同第二十九军作战。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二十九军发起总攻。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二十九军展开进攻。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，自己离开北平去保定。北平城内及其附近的第二十九军主力也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。中国第二十九军驻天津之第三十八师一部，在副师长指挥下，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。