7月18日拂晓，日机40架突然空袭北平城外南苑、西苑和北苑的中国军队，掩护其机械化部队猛烈进攻
28日晨，日军向北平市郊发动总攻，以第20师主力配重炮40门，在坦克部队和炮兵掩护下，对南苑展开攻击。日驻屯军步兵旅主力由丰台向南苑进攻，切断南苑守军向北平方向的退路。守军被迫仓卒应战，利用营房周围障碍物及村庄为掩体，顽强抵抗，有些阵地失而复得。但由于日军飞机与大炮轮番轰炸，守军无法展开，加之通讯设施被炸毁，指挥失灵。官兵苦战至下午2时，战死约5000人，29军副军长兼教导团团长佟麟阁和132师师长赵登禹率2000余人的部队守卫南苑。在敌密集炮火之下，处境极为不利。面对强敌，佗赵两人决定誓死坚守，他们指挥部队英勇抗击。
7月28日由晨至午，战斗激烈，双方损失惨重。下午，佟麟阁等奉命率部向大红门转移，中途被日军包围，乃挥师继续与敌人苦战。佟麟阁在指挥右翼部队向日军突击时，被敌机枪射中腿部，佟仍率部激战。敌机又来狂轰滥炸，他头部受重伤，流血过多，英勇殉国。赵登禹师长在激战中右臂中弹，仍继续作战。不久，他腿部等处亦受伤，赵登禹率部突围北走，车行到黄亭子，赵被日军伏兵击中胸部，壮烈殉国。佟麟阁、赵登禹为国牺牲的噩耗传往全国，激发了军民抗日复仇的义愤。南京国民政府发布褒扬令，追赠佟麟阁、赵登禹为陆军上将。
28日下午，宋哲元委派张自忠代理冀察政务委员会委员长、冀察绥靖公署主任兼北平市市长，留北平和敌人暂时周旋，自己于当日晚离北平赴保定。第37师撤至永定河南岸布防。
29日8时，日军独立混成第11旅团攻击北苑与黄寺。黄寺守军冀北保安部队与日军战斗至18时后撤退 北苑守军独立第39旅与日军战斗后转移到古城，战斗结束后又返回北苑。该旅于31日被日军解除武装。在城内的独立第27旅被改编为保安队维持治安，数日后突围到察哈尔省归第143师序列。
驻防天津的第29军第38师部队，于29日凌晨主动向天津日军发动攻击，攻占天津总站日军驻地，并向驻海光寺日军司令部和东局子飞机场展开攻击。开始时较为顺利，后在日军飞机、炮火反击下，至15时开始撤退，随之天津沦陷。
29日驻通县伪冀东保安队反正，并向通县日军和伪冀东自治政府发动攻击，取得胜利。当日下午，反正部队撤离通县向北平转移，在城北受到日军的袭击，然后转移向保定。第29军第37师奉令南撤时，该师第110旅在宛平至八宝山一线掩护军部和北平部队经门头沟南撤，任务完成后，于30日撤向保定。
30日，日军占领北平、天津，日军独立混成第l旅团和驻屯旅团分别在30日晚和31日进占长辛店西面高地和大灰厂附近地区。至此，平、津作战结束。