在全国人民抗日热潮的推动下，中国守军第29军第110旅奋起抵抗，揭开了全国抗战的序幕。他们表示“愿与卢沟桥共存亡”，“日军要求我军撤出卢沟桥，则有死而已，卢沟桥可为吾人之坟墓”。吉星文团连续击退日军3次进攻。日军第3大队直扑龙王庙和附近的铁路桥。守卫桥头阵地的29军只有两个排。他们表示“宁为战死鬼，不做亡国奴”，同日军展开拼杀，终因寡不敌众，60多名战士壮烈牺牲。日军也在河堤上丢下了上百具尸体。
7月8日夜12时许，吉星文团突击队的青年战士用绳梯爬出宛平城，出其不意地将日军1个中队全歼在铁路桥上，夺回了铁路桥和龙王庙，军心为之大振。
卢沟桥事变后的第二天，中共中央发表《中国共产党为日军进攻卢沟桥通电》，指出，平津危急!华北危急!中华民族危急!只有全民族实行抗战，才是我们的出路!号召全中国同胞、政府与军队团结起来，筑成民族统一战线的坚固长城，抵抗日寇的侵掠!同日，毛泽东、朱德、彭德怀等致电蒋介石，表示红军将士愿意为国效命，与敌周旋，以达保土卫国之目的。要求本“御侮抗战之旨，实行全国总动员，保卫平津，保卫华北，收复失地”。同时，红军将领致电宋哲元，表示“誓做贵军后盾” 北平中共地下组织发动各界同胞援助29军抗战。中华民族解放先锋队、华北各界救国联合会、北平各界救国联合会的代表赴前线慰劳抗日官兵；青年学生参加情报、募捐、救护等工作，并组织战地服务团；长辛店的工人运送枕木、铁板和铁轨到宛平，修筑阵地；郊区农民为前线输送粮食、饲料、燃料和民工。人民群众的支援，激发了29军广大官兵的抗日热情。
同日，蒋介石电令宋哲元：宛平城应固守勿退，并须全体动员，以备事态扩大。9日，国民政府军事委员会电令全国备战，并令第26路军孙连仲等部4个师归宋哲元指挥，开赴保定、石家庄，支援第29军作战。
冀察当局却根据国民党政府“应战不求战”的方针，放弃了歼敌的有利时机。于7月9日晨，第29军副军长兼北平市长秦德纯与日本北平特务机关长松井太久郎达成三项口头协议：一、双方立即停止射击；二、日军撤退到丰台，29军撤向卢沟桥以西；三、城内防务由保安队接防。7月10日，日本又在“就地解决”的幌子下，提出29军向日军道歉，卢沟桥、宛平县和龙王庙地区不得驻扎中国军队等无理要求。