9月23日，日军向保定发起攻势，中国空军首次在华北上空参战，中国守军士气大振，奋勇杀敌。次日，日军完成对保定的包围，发起总攻。激战11个小时，日军坦克突入城南公园，中国守军弃城撤走。
10月8日，日军又向正定发起攻势，中国守军与之展开激烈巷战，伤亡过半，被迫南撤。次日，日军从三面包围了石家庄。10月10日，日军攻占石家庄，随即沿平汉路南犯。10月15日，攻陷邢台，10月17日攻占邯郸，11月5日占领古都安阳。
在向河北、河南进犯的同时，另有一路日军向西进逼山西的门户--大同。9月5日，中国军队在大同前哨天镇与日军血战一昼夜，守住了阵地。9月8日，日军炸毁天镇城垣，但是，遭到中国守军的有力阻击，无法推进。日军于是绕过天镇，奔袭阳高、大同。9月10日，阳高失陷，天镇丧失屏障，中国守军弃城撤退。9月11日，日军兵临大同城下。鉴于大同守备空虚，阎锡山下令弃守大同。9月12日，日军进占大同，夺取了晋北煤炭基地。
10月12日，中国军队一路退到平绥线终点--包头。10月17日，中国守军又放弃了包头。在撤退途中，这些中国军队"官不知兵，兵不见官，一退数百里，将民财骡马拉抢一空"，"多三五成群，奸淫掳掠，任意开枪寻事，"溃败得十分可悲。
10月中旬，日军7万多人侵入晋北，在忻口一带遭到中国军队的顽强阻击，进展甚微。日军转而渡过滹沱河，沿正太铁路向太原进攻。10月13日晨，日军进抵娘子关附近的核桃园。阎锡山下令"严督进攻部队拚命杀敌，总司令、军长应亲自督战，有畏缩不前者，就地枪决"。经过连日激战，旧关至核桃园一带，山沟中积尸累累，伤亡甚众。10月26日，娘子关陷落。
日军继续西进，11月4日攻占榆次县城，太原危机。11月6日，日军进抵太原北郊，随即对城内进行炮击和空中轰炸。11月7日，日军完全包围了太原。11月8日发动总攻，并以30多架飞机轮番轰炸，全城陷入一片火海。中国守军誓死抵抗，伤亡异常惨重。入夜后，日军向城内空投伞兵，造成混乱。城防司令傅作义率部从南大门突出重围，撤往晋南，太原陷落。
在疯狂侵略中国华北地区的同时，日军再次对淞沪地区发动了猛烈的进攻，妄图对中国南北夹击，速战速决，迫使中国"军队及国民丧失战斗意志"，尽快投降。
淞沪地区位于长江下游黄浦、吴淞两江汇合处，扼长江门户。在"一·二八"事变后，日本就在上海虹口、杨树浦一带派驻重兵，专设日本驻沪海军陆战队司令部，驻沪兵力3000多人，大批日本舰艇常年在长江、黄浦江沿岸巡弋。
1937年8月13日，日本海军陆战队向淞沪铁路天通庵车站的中国守军开枪挑畔，并出动坦克沿宝山路进攻，被中国守军击退。8月14日，中国政府发表《自卫抗战声明》。8月15日，蒋介石下达全国总动员令，自任海陆军总司令。8月17日，中国军队向虹口、杨树浦方面日军发动反击。经数日激战，中国军队突破日军阵地，攻入汇山码头。与此同时，中国空军队也与日本航空队展开激战，并积极攻击进犯的日本陆军和舰艇，击落日机47架，炸沉１艘日军巡洋舰。
8月23日晨，从日本赶来的大股日军在川沙河口、狮子林、吴淞一带强行登陆。9月1日，日军围攻狮子林炮台，与中国守军反复白刃搏斗，双方伤亡惨重。9月5日，日军集中30余艘军舰，掩护陆军向宝山发起猛攻，中国军队浴血奋战，苦战２昼夜，500名官兵多数壮烈牺牲。
9月下旬至10月初，日军增援部队陆续在上海登陆，总兵力达20多万人。11月5日拂晓，日军利用大雾、大潮在杭州湾的全公亭、金山嘴登陆，对淞沪实施迂回包围。中国沿海守备部队已抽调支援市区作战，猝不及防，阵地相继失守，战局急转直下。11月6日，日军占领金山，企图对上海形成合围。11月8日，蒋介石被迫下令全线撤退。11月9日，日军进占淞江，11月12日占领上海。
