1937年7月8日晨5时30分，日方谈判代表尚在宛平城内，一木清直大队长在得到牟田口的“尚方宝剑”后，已经迫不及待，向宛平城发起了进攻。开始用大炮轰击，炮弹呼啸着飞过城墙，首先炸毁了中国守军营指挥部，继之轰击城墙，并击毁城东顺治门城楼。
秦德纯、冯治安、张自忠等召开紧急会议发表声明：“彼方要求我军撤出卢沟桥城外，方免事态扩大，但我方以国家领土主权所关，未便轻易放弃，徜彼一再压迫，为正当防卫计，当不得不与竭力周旋。”
同时29军军部发出命令：“卢沟桥即为尔等之坟墓，应与桥共存亡，不得后退。”
在这之前，凌晨3时半，29军司令部得知日军主力向卢沟桥方向前进时，秦德纯曾指示宛平城守军：“保卫领土是军人天职，对外战争是我军人的荣誉，务即晓谕全团官兵，牺牲奋斗，坚守阵地，即以宛平城与卢沟桥为吾军坟墓，一尺一寸国土，不可轻易让人。”
同时，在山东乐陵老家的宋哲元也来电命令“扑灭当前之敌”。
宛平城守军，冒着敌人的炮火奋起还击，士兵们沉着应战，待日军接近有效射程内，以快放、齐放猛烈射击。
城内居民没有人惊慌失措，争先恐后向城上阵地的部队运送弹药。
日军进攻的枪炮一响，正在宛平城内与日方调查谈判的王冷斋县长便严词质问樱井等日方人员。樱井支支吾吾地说：“开枪或出于误会，当努力于此事的调解，勿使扩大。”
宛平城的战斗打了1个小时，日军伤亡惨重，还在原阵地不动，未能进前一步。樱井等登城“调查”，见对日军非常不利，以调解为名，手持白旗，要求日军停止射击。
5时30分，就在日军进攻宛平城同时，日军第3大队主力部队在大队长一木清直的率领下，排成四路纵队，气势汹汹地径直向铁路桥和回龙庙的中国守军扑去。
铁路桥头守军一个排，由排长李毅岑率领。当金振中营长得知日军大队人马从丰台向宛平开来时，抽调预备队10连沈忠明排火速赶至铁路桥东头和回龙庙阵地，协助李毅岑排守卫桥头。并命令，“严加防范，如日军来犯，坚决予以回击”
李毅岑得知日军进攻宛平消息后，全排33名战斗员，自深夜2时即进入守卫桥头的堑壕，沈忠明增援后，调整部署李毅岑排退入掩体略息，沈排进入阵地。当向东的警戒方向出现大队日军。排长沈忠明跳出堑壕，站在掩体前伸出右手制止日军进入警戒线。日军官扬言搜寻失踪士兵，未答话几句，日军突然开枪射击，沈忠明排长中弹当场牺牲。此时，守军80名战斗员已经做好准备，双方都立即开枪。日军枪约500枝，守军机关枪6挺、步枪60条，顿时枪声响成一片，继之出现手榴弹声。顷刻日军冲入守军阵地，守军剩下的士兵又抡起大刀与敌展开了肉博战。15分钟后，寂静下来。铁路桥失守，守军两个排的士兵全部战死在桥头阵地。铁路桥左侧回龙庙阵地自然也落入敌手。铁路咽喉被日军占领。继之，日军以兵出永定河西岸。已经抄宛平后路，宛平城将成四面被围的孤城。但因日军兵力不足，未敢进攻预备队阵地和袭击长辛店的军火仓库，只得暂时停下来等待援军。
清晨7时30分，华北驻屯军司令部对驻天津的各部队下达准备出动的命令，并命令在秦皇岛检阅部队的河边正三旅团长马上返回北平。
9时，华北驻屯军军部命令牟田口：一、我军要确保永定河东岸卢沟桥附近。二、步兵旅团应解除永定河东岸卢沟桥附近中国军队的武装，以利于事件的解决。牟田口接到命令后，于9时25分命令副联队长森田：“指挥一木大队，对卢沟桥中国军队提出，要求撤退到永定河西岸，如果需要，解除中国军队武器，占领卢沟桥。华北驻屯军有这种意图，请迅速执行。”
森田马上向中方提出交涉要求，中方不能接受。森田再度命令攻打宛平城。枪声一响，马上遭到守军猛烈回击。
当日（7月8日）下午1时，牟田口大佐从北平到达宛平城东的一字文山前线，亲自指挥作战。
日军又在炮火掩护下，用9辆坦克配合步兵力图一举攻克宛平城。守军以步枪和手榴弹等轻武器硬是把坦克全部打退。日军反复冲击屡遇挫折，完全没有料到，会遭到如此强硬的反击。战斗已经进行了3个小时，日军毫无进展，只是炸毁了宛平城内的大批房屋，无辜百姓惨遭祸殃。晚9时日军停止进攻。
日本驻丰台兵力2000人，中方守卫卢沟桥的金振中营1400人。8日下午3时师长冯治安电话通知金营长，有人去宛平与金联系。放下电话，保安第4团第2营曹营长带领4个连长来见金营长，说明奉冯师长之命支援宛平，曹营长所带700余人交金营长指挥，此时宛平守军已经增至2100人，但在铁路桥等处战斗中守军已经损失近200人，重要的是铁路桥已经失守。日军在几次进攻过程中损失较重，光铁路桥的战斗中就减员百余名。总的说，在战斗力上，日军仍占优势，但士气已堕。