29日凌晨1时，各部队按照指定任务同时向日军发动攻击。由于采取了突然袭击手段，因此攻击开始后进展较为顺利。独立第26旅迅速攻占了总站及东局子飞机场，烧毁了10余架日机，并攻进空兵团司令部，缴获了大量机密文件（包括日陆军航空兵正在使用电报密码本等）。事后日本参谋本部追查这一重要失密事件，航空团参谋长今泽舍次郎大佐及有关人员均被撤职查办 保安队第1队也很快攻占了东车站。惟海光寺日军由于工事坚固、炮火猛烈，未能攻克。
战斗至当日下午，日军临时航空兵团开始对中国军队及其驻地进行轰炸。在日军飞机轰炸和其地面部队火力反击下，第38师各部队间联络中断，指挥失灵，形成各自为战的混乱局面，损失越来越大，增调的援军第112旅又迟迟不到，于是李文田部队在当日下午3时开始撤退，天津沦陷。
第29军进攻天津日军时，驻通县的伪冀东保安队在张庆余、牙砚田的率领下反正。张庆余是伪冀东保安队第1总队指挥，张砚是第2总队指挥。该部原系于学忠的两个团。卢沟桥事变发生后张庆余曾秘密派人与第29军联系，商定在开战时举行起义。29 日凌晨2时，该保安队向驻通县的日军和伪冀东自治政府发动突然袭击，捉获了伪主席殷汝耕，击毙了日军特务机关长细木繁中佐及所属日军数十人，并消灭了日军守备队、汽车队大部和全部日本顾问，也牵连杀死了一些日本侨民。然后于下午4时撤离通县，带着殷汝耕，准备将其送往北平；但当到达北平附近时，保安队得知第29军已全部撤退，只好经北平西郊向保定方向转移。转移途中，在北苑、西直门之间遭到日军的袭击。混乱中，殷汝耕逃走。
第29军的第38师在天津的反击和通县伪冀察保安队的起义，使日本遭到一定的损失。日本“中国驻屯军”为解除后方的威胁，急令第20师团第39旅团长高木义人率3个步兵大队、1个炮兵大队回援天津，同时向关东军求援。关东军立即派兵力约1个大队的先遣队赶赴天津；随后又以第1师团的第2旅团为基干，配属了炮兵、骑兵及工兵，组成第2混成旅团，车运天津增援。增援日军相继于7月30日至8月1日到达天津。天津地区的中国军队已撤至静海以南地区，北平地区的中国军队已撤至涿县、固安、永清以南地区。
至此，平津血战宣告结束。