日军占领平津后，制定在华北决战计划，企图以主力沿平汉铁路进攻河北保定、沧州一线，另以一部在主力右翼沿平绥铁路进攻察哈尔、山西北部和绥远，待保定作战后，再进攻石家庄、德县一线。
8月初，日军编成关东军察哈尔派遣兵团，联合中国驻屯军一部沿平绥铁路东段向察哈尔进攻，以“解除对中国驻屯军后侧及满洲国境的威胁，消灭察哈尔省内的中国军队”。中国为加强华北防御，任命傅作义为国民革命军第七集团军总司令，负责平绥铁路东段防御。8月7日，中国国民革命军第十三军进入南口阵地。8月11日，日军即以主力攻击南口，并以一部侧击南口西侧长城防线。中国军队经激烈战斗仍未能抑制日军攻势，8月下旬，怀来、延庆、南口、张家口相继失陷。8月29日，日军两支部队在宣化会合，防御平绥铁路西段的中国军队面临夹击危险，遂分头撤退。日军察哈尔派遣兵团随即在伪蒙骑兵协同下沿平绥铁路向西继续进攻。9月11日，中国第二九九团孤军坚守天镇一周后失守。9月13日，大同中国守军不战而走，日军进占大同。9月24日，日军攻占重镇平地泉。10月，日军相继攻陷绥远省会归绥和重镇包头。平绥铁路作战结束，日军完全控制内蒙，并解除其华北主力进攻河北、山西侧翼威胁。
