驻守宛平团长吉星文随即下令还击，此后日军连续进攻宛平城三次，均遭中国守军英勇抵抗。
与此同时，宋哲元一边下令坚守卢沟桥，另一边给南京方面发电报，向蒋介石报告卢沟桥事变经过。
蒋介石接到电报，第一时间召开会议商议对策，责令外交部门向日本大使馆提出口头抗议。
日本没有想到这次国民政府反应如此迅速强硬，当即调整策略。
一方面同意停止射击，提出所谓“事件不扩大，就地解决”的方针，以此麻痹国民党当局，另一方面从天津、河北调集大量部队及大炮、坦克向卢沟桥一带集结。
对于日本的两面三刀，蒋介石业已看穿，在达成停火协议的同时，便致电宋哲元要求其积极备战，不容丝毫退让。
然而宋哲元却对日军心存幻想，认为能平即能和，就在日军源源不断的往天津方向集结时，宋哲元却将卢沟桥驻军撤至长辛店及衡门口。
11日，日军用大炮猛烈轰击宛平城，炸死炸伤城内大量百姓，团长吉星文也因此负伤，之后日军出动飞机侦察扫射，战火很快蔓延至八宝山、廊坊一带，29军分散在各处只能被动应对。
中国守军的不利开局让蒋介石颇为着急，从12日到13日，蒋介石两次致电宋哲元，要求不得屈服，就地抵抗，全力抗战。
但此时的宋哲元却在心里犯起嘀咕，他既怀疑蒋介石抗日的决心，也害怕中央军来抢自己的地盘。
从14日至19日，宋哲元多次派人与日军谈判，但日本丝毫不妥协，甚至指责中方调集军队是在对日本挑衅。
在此期间，蒋介石也多次电示宋哲元切勿对日军抱有任何幻想。
从7月20日起，日军再次炮轰宛平城，扩大攻势，宋哲元这才丢掉幻想，决心抵抗，并发表守土抗敌的通电，表示“我守土有责，不得不正当防御。”
从7月28日拂晓，日军三个旅团对北平城发动总攻。
此时的北平已无险可守，廊坊、昌平、汤山等周边地区均已被日军攻占，29军将士拼死抵抗，但日军凭借火力和规模优势对29军形成绝对压制。
短短一天时间，29军有五千名战士伤亡，损失极为惨重，副军长佟麟阁、一三二师师长赵登禹，于南苑壮烈殉国，整个29军防线被拦腰斩断。
7月29日北平失守，宋哲元率军撤至保定，张自忠代理政务委员会委员长和北平市长拖延时间，30日天津失守。
至此整个平津地区落入日寇之手，此后日军长驱直入，对中国开始大规模侵略。
卢沟桥事变揭开了中华民族全面抗战的序幕，事变的第二天，中共通电全国，号召中国军民团结起来，共同抵抗日本侵略者。
7月17日，蒋介石身着戎装，面对社会各界代表在庐山正式发表《抗战宣言》，宣告抗战牺牲到底、抗战到底。
