日军侵占平津后，占领长辛店、丰台、南苑、独流等外围据点，掩护其主力集中，按照其1937年7月27日制定的作战计划，预定在增援的第5、第6、第10师团到达后，以主力沿平汉、津浦铁路南下。
8月1日，中国统帅部命傅作义之第35军和汤恩伯之第13军向察哈尔前进，以威胁平津日军，8月4日，到达南口地区，日军为解除其南进时的后顾之忧，以独立混成第11旅团于8月8日进攻南口，遭到第13军的顽强抗击，多次冲锋均被击退。
8月9日，日本参谋本部为消除平津地区北面之威胁，为尔后作战创造有利条件，令关东军组成察哈尔派遣兵团，与中国驻屯军协同打通平绥铁路东段，并占领张家口。日军混成第11旅团于11日再次进攻南口，汤恩伯指挥第89师进行反击，将日军包围于阵地前并切断其后方联络线。日军被迫转为据山地防守，靠空投补给弹药、食粮。日中国驻屯军司令官香月清司，急调刚刚到达华北之第5师团增援。
8月20日，日关东军察哈尔派遣乓团（指挥官东条英机中将，下辖独立混成第1旅团，混成第2、第15旅团，步兵第16、第30联队，骑兵第2联队，野炮兵第2联队，工兵第2联队及第2飞行集团的14个飞行中队）开始向张家口进攻，日军第5师团于16日进至南口地区，指挥第11混成旅团猛攻第13军阵地，25日攻占南口。27日，北路日军亦攻占张家口。中国军队逐渐向绥晋地区撤退。
日军占领平绥铁路东段后，为进一步扩大侵华战争，于8月31日再向华北增调第14、第16、第108、第109师团，并编成华北方面军，以寺内寿一大将为司令官，下辖第1军（司令官香月清司中将，辖第6、第14，第20师团，野战重炮兵第1、第2旅、第8联队，独立山炮第1、第3联队，战车第1、第2大队）、第2军（司令官西尾寿造中将，辖第10、第16、第108师团，野战重炮第6旅团）。方面军直辖部队有第5、第109师团，中国驻屯混成旅团、临时航空兵团及独立攻城重炮兵第1、第2大队等。9月4日，第1、第2军分别沿平汉、津浦铁路南下，以平汉路为主要进攻方向，企图在保定、沧县一线围歼河北境内的中国军队，察哈尔派遣兵团配属一部伪满军及伪蒙军，由张家口沿平绥路向天镇、大同进攻，第5师团由宣化，涿鹿沿桑干河两岸向蔚县、阳原进攻。
随着日本侵华战争的扩大，国民政府于8月11日召开国防会议，决定成立大本营（不久仍以军事委员会为抗战最高统帅部），由蒋介石任陆海空军大无帅。8月20日下达《国军作战指寻计划》，将全军区划分为5个战区，确定主战场在第一战区，主战场之侧背在第二战区。第一战区作战地域为冀省及鲁北，司令长官蒋介石兼，由石家庄行营主任徐永昌代理。第二战区作战地域为察、绥、晋省，司令长官阎锡山。当南口，张家口之军队撤退至察、绥时，第二战区决定加强晋北的防御，并拟定了作战计划：“利用山地歼灭敌人。以主力配置于天镇、阳高、广灵、平型关各地区，以一部控制于大同、浑源、应县附近。”
9月5日，日察哈尔派遣兵团开始进攻。李服膺之第61军，在天镇以东山地逐次抗击后退人城中。9日，阳高失守，李服膺弃天镇城撤走。
11日，日军进至聚乐堡，逼近大同，第5师团亦攻占蔚县，第7集团军总司令傅作义计划集中兵力，在大同地区与敌决战。阎锡山以大同地形不利为由，收缩战线，令其放弃大同，退守雁门关长城沿线。日察哈尔派遣兵团于13日占领大同，17日攻占丰镇，20日占领左云、右玉。第5师团于14日攻占广灵，9月21日，第二战区急令第17、第15军及第73师开赴平型关，阻止日军西进。
22日，日军开始进攻，遭到守军的顽强抗击，顿兵关前。25日，日军第5师团第21旅团野战炮兵大队及师团辎重部队向平型关增援，在平型关以东的小塞村附近，被设伏该地的第18集团军第115师包围，全部被歼。日察哈尔派遣兵团于当日下令，命第2、第15混成旅团及独立第1混成旅团，分别由大同，怀仁、右玉南下，增援第5师团。平型关方面，日军连日猛烈攻击，均被守军击退。到29日，日军南下的3个旅团，分别突破第61军在长城沿线、第34军在茹越口、骑兵第1军在平鲁等地的防线，攻占了平型关以西的铁角岭、繁峙，朔县。
平型关的中国军队，为避免彼敌包围，于30日拂晓，向五台山区转移。
日军攻占平型关后，第5师团继续西进，与占领繁峙之第15混成旅会合后，于10月1日攻占代县。日本参谋本部根据中国正集中兵力于上海战场，未再向华北战场增派兵力，大同以北、以西地区的守军兵力薄弱，正由晋北后撤，而其第1、第2军及察哈尔派遣兵团进展顺利的情况，于10月1日命令华北方面军“以一部兵力进占太原”，并令关东军将察哈尔派遣兵团的2个旅团转隶华北方面军。华北方面军令第5师团长板垣征四郎负责指挥。所属部队有该师团之第21旅团、第9旅团之步兵第11联队；察哈尔派遣兵团转隶来之混成第2、第15旅团；中国驻屯军步兵第2联队、堤支队（2个步兵中队、1个机枪中队、1个步兵炮队、1个装甲汽车队），第2联队及骑兵、工兵各1个中队。总计步兵约24个大队、骑兵6个大队、各种大炮95门（山炮21门、野炮44门、轻榴弹炮20门、150毫米榴弹炮8门，150毫米加农炮2门）、战车数十辆。为掩护部队集中和整顿，板垣令混成第2，第15旅团继续向撤退之中国军队进攻，师团主力拟于10月13日开始进攻。
中国军队放弃平型关后，晋北形势危急。中国统帅部于10月1日急令第一战区之第14集团军总司令卫立煌，率4个半师，由石家庄经正太路车运太原，转赴晋北，兼程驰援。第二战区将准备在忻口地区抗击日军的部队编为4个集团军：右翼军（第18集团军总司令朱德），辖第115、第129、第73、第101师，新编第2师；中央军（第14集团军总司令卫立煌），辖第9、第14、第15、第17军（每军2个师），第19军（2个师又1个旅），第85、第94、第177、第42师，独立第5旅，炮兵第5团，炮兵第23、第27。第28团（各欠1个营）及1个战车防御炮营，1个
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