日军占领热河后，河北、平津暴露于日军的进攻锋芒之下。张学良下野后，蒋介石命军政部长何应钦兼代军事委员会北平分会委员长，控制华北军政大权，负责北方军事，同时任命内政部长黄绍任何应钦的参谋长。何应钦手下辖有14个军，约35万人，其中以第二师黄杰部、第二十五师关麟征部、第八十三师刘戡部、第二十九军宋哲元部、第五十九军傅作义部、第六十七军于学忠部的战斗力较强。他们配置于长城到滦河一线，分兵防御各关口，从渤海到察哈尔，战线长有三五百公里。当时的中国军队依靠长城为唯一的防御工事，战事最激烈的便是长城各口保卫战。长城沿线成为中、日军队鏖战之地。从东北沦陷至卢沟桥事变之前，1933年的长城抗战，是中、日间规模最大的战事。中央军、东北军、西北军、晋绥军等共同参加了战斗。

1933年3月上旬，日军第六、第八等师团4万多人在飞机、坦克、火炮的配合下从冷口、喜峰口、古北口三个方向向长城一线发起攻击。关东军司令官武藤信义从长春到达锦州，直接指挥进攻长城线的作战。

冷口之战是长城战役的第一仗。3月初，日军在追击从热河前线溃退下来的万福麟部时已乘势占领了冷口关。奉命增援的第三十二军商震部一三九师于3月7日乘日军立足未稳，于傍晚果断地发动了反击，收复冷口。日军于3月底反攻冷口，但在商震部顽强的防守下，进攻没有得逞。

喜峰口是北平与热河的交通咽喉，3月5日，日军第八师团先遣部队偷袭冷口得逞后，师团主力停止向冷口前进，改为向喜峰口疾进。9日，日军开始对喜峰口进攻，并乘万福麟部立足未稳之际，占领了喜峰口外约20公里的前哨据点孟子岭。

第二十九军宋哲元部本来前往冷口增援，但在喜峰口危急后，又驰援喜峰口。第二十九军第三十七师王长海团以半天前进100多里的速度，从遵化赶到喜峰口，乘天色已暗，潜登山头，一举将日军所占制高点夺回。

当晚，一〇九旅旅长赵登禹派出两个营的兵力越出长城夜袭日军，凌晨3点进入敌阵，烧毁了日军行李车10余部，歼敌500多人，拂晓，日军发起反攻后，赵部且战且退返回长城之内。日军以强大的炮火连续攻击喜峰口阵地两天，虽给守军造成相当伤亡，但日军也付出重大伤亡的代价，并且仍无法突破第二十九军的阵地，双方反复拉锯。

第二十九军将领秦德纯、张自忠、冯治安、何基沣等经会商后，决定利用第二十九军官兵夜战与近战的特长主动出击，以赵登禹、佟泽光等两个旅的兵力分两路潜至日军侧背，于3月11日晚进行大规模的夜袭。

当夜，赵、佟两旅兵分两路而行。当赵旅攻入日军炮兵阵地时，疲劳的日军已进入梦乡酣睡，万万没有想到白天挨打的中国军队还敢发动夜袭，于是在睡梦中便被大刀队用大刀、刺刀结果了性命。第二十九军官兵们将日军阵地上的装甲车、大炮统统加以破坏，然后回到原阵地。这次大规模的夜战，歼敌1000多人，给日军意外的打击，成为长城抗战中最大的一次胜利，大刀队的威名立即传遍了全中国。这场战事，距今已经间隔了70年。谈到这次战事，留在人们记忆中最明晰的，还是第二十九军的大刀队。从当年激动人心的新闻报道，到后来“大刀向鬼子们的头上砍去”的雄浑歌曲，再到历史教科书不惜笔墨的详细记载，它成了抗战史上最引人入胜的故事之一。大刀成了一种符号，一种毅然决然的精神，一种操起家伙奔向前线的热血冲动，一种为生存而反抗的礼赞。

经过7天7夜的激烈较量，日军在喜峰口阵地上未能占到第二十九军的便宜，便转而攻击罗文峪，想攻击第二十九军的侧背。罗文峪守军最前线的一个营在阻击日军时大都阵亡，但第二十九军已有准备，下午便增兵反攻，击退了日军。

3月18日，日军再攻罗文峪，刘汝明与张自忠部全力抗敌，团长李曾志腿部受伤，仍在前线指挥，王春生营长力战阵亡，他所率的一营官兵仅剩下70多人，但仍坚守阵地，粉碎了日军的计划。喜峰口在历经多日战火后，城墙壁上弹洞累累，但它仍然牢牢掌握在第二十九军战士手中，使日军望而生畏。日本报纸承认喜峰口的战斗丧尽了日本“皇军”的荣誉，受到了60多年来未有的侮辱。

长城线上的古北口位于北平东北约200公里，也是从承德到北平的重要孔道，它的东西两面都是崇山峻岭，形势十分险要。从热河南下，日军将这里作为一个主攻目标。蒋介石忙于调集大军在江西从事内战，长城告急后，他派谴原在江西东南部参加围剿红军的第二十五师北上，后来又将驻兵潼关、洛阳的第二师及湖北的第八十三师北调。这北上的3个师合编成第十七军团，由军团长徐庭瑶统率。第二十五师关麟征部到达北平时，北方已经是冰天雪地，而来自南方的官兵们尚是赤足草鞋。当时朱庆澜组织的抗日后援会及时捐赠了皮大衣以及挖掘工事的工具，才解决了他们的燃眉之急。

3月10日凌晨，二十五师赶到古北口。原在古北口防守的东北军第六十七军王以哲部在古北口外的青石梁阵地上与日军苦战4昼夜后，已呈不支之势，于3月9日下午退往古北口以南占领阵地。日军第八师团长西义一在日军于青石梁遇阻时赶至古北口督战，11日，日军终于占领了古北口关。日军向在关南设置的第二道防线的关麟征部开始进攻，并对阵地的右翼进行包围。师长关麟征见状，率领师部特务连赶往增援右翼阵地，准备指挥反击。途中，他被日军的狙击手用手榴弹击伤，副师长杜聿明接替他指挥，保持阵地不失。

12日上午，日军的进攻更为猛烈，二十五师师部的通讯线路被炸断，阵地被日军切为两段。古北口一战十分激烈，连日军也承认是“激战中的激战”。二十五师消灭日军2000多人，而自己激战3昼夜后兵员伤亡有4000多人，其中连排长死伤3/4，士兵死伤3/5，杜聿明决定放弃对古北口的争夺，退守新的阵地南天门。徐庭瑶下令由黄杰的第二师顶上去替代二十五师守卫距古北口5公里处的南天门，屏障北平。

18日，在天津主持策反活动的关东军特务机关长坂垣征四郎通知关东军司令部，预定北洋军阀余孽张敬尧于20日在北平发动叛乱，要求日军在长城沿线加强进攻以便配合。20日夜间，第八师团开始攻打南天门。第二师在八道楼子、四二一等阵地与日军激战5昼夜，伤亡过重，由刘戡的第八十三师再顶上去防守南天门，血战3昼夜，阵地工事完全被毁，26日退往南天门以南600米处占领阵地。后来中国军队由南天门退到石匣镇，又由石匣镇退往密云，节节抵抗，节节撤退，陆续打了两个月。在这场惨烈的激战中，双方均有重大伤亡，日军伤亡5000人，中方伤亡更多，时间之长与战斗之烈为长城抗战之最。

为呼应古北口、南天门方面的战事，4月下旬，日军第八师团第三十一联队3000多人占领了兴隆镇，企图攻击徐庭瑶军团的侧背。徐庭瑶调第二十六军萧之楚部收复兴隆。第二十六军于27日上午攻入兴隆镇，将残敌围困于县署与兴隆山上，萧军逐步逼近日军据守的房屋，迫令日军投降。但此时，南京政府军政部次长陈仪和日本驻上海海军武官根本博已经开始交涉华北停战问题，根本博提出停战的要求之一便是让中国解除对兴隆日军的包围。5月1日，何应钦令萧军解除包围，这才使兴隆的日军逃脱了被全歼的命运。

关东军在热河作战时轻松得胜，如同行军一般。但它在长城沿线作战中伤亡很大，到3月下旬双方已呈对峙局面。无奈之下，日军便将作战重点转向北平东北的冀东。何应钦见冀东前方的第五十七军何柱国部处境危险，下令何军撤回到滦河一线。当时舆论不知内情，为之哗然，指责何应钦不该轻弃土地。冀东的战斗首先从日军攻打并占领沙河寨与石门寨开始，第五十七军在海阳镇与2000多名日军反复争夺，失而复得多次，直战至4月3日才被迫放弃。7日，何柱国指挥所部在汤河一线集中兵力全线反攻，部队在炮火掩护下收复了海阳镇，然后继续向前推进，日军不支向后退却。日军交战后知道冀东不易轻取，便从冷口等地进军，威胁何柱国军侧背。在何军反攻刚有进展时，日军占领了冷口，商震部向滦河两岸撤退，冀东战线全线动摇。恰在此时，日本军部不赞同关东军超越长城线在冀东作战，于是冀东日军开始后撤，大部分退至长城各口附近。

日本军部与关东军已经考虑如何占据有利的形势停战，关东军参谋长小矶国昭在东京建议关东军越过长城一线作战，得到了日本天皇的批准。日军从长城与冀东各方面展开全面进攻，摆出对平津志在必得的架式，以诱使中方签订城下之盟。

中国军队经过长时间的战斗，已经消耗很大，在日军的强攻下已呈不支之势。5月21日北平军分会召开各军将领会议，未有结果，只决定由徐庭瑶任北平城防司令，军政首脑机关做好撤出北平的准备。当日军占领密云、通县等地后，北平三面受围。何应钦急调傅作义部第五十九军由昌平进入怀柔，阻击南下日军，保卫北平的北大门。傅作义在1927年北伐战争中曾因以孤军固守涿州88天而闻名全国。他治军极严格，接到命令后，率部以每小时10公里的速度飞速赶到昌平后，在怀柔以西从古北口至北平的大路上修筑防御工事。

从5月21日起，日军先头部队进攻傅军阵地，被击退。两天后，日军第八师团主力赶到，一边在正面进攻，同时还迂回包围傅军阵地，傅军则以近战的方式减少日军重武器的威力。双方在牛栏山下展开恶战，一时杀声震天，血肉横飞。傅军阵地上有的全连被日军飞机和炮火炸死，有的连仅剩数十人把守，这些尚存的战士有的袒臂跳出战壕肉搏杀敌，有的携带10多颗手榴弹伏在外壕里，一人独自炸死日军数十人。傅作义急调孙兰峰旅长率总预备队增援，战至晚上，傅军已与日军连续战斗了15个小时。战事正酣，傅作义得到何应钦连续3次电话通知停战的命令，还派人送来他的手令，傅作义这才下令全军向高丽营撤退。第二天，日本随军记者在观察傅军阵地后，向国内报道：“敌人所筑的俄国式的阵地，实有相当的价值。且在坚硬的岩石中掘成良好的战壕，殊令人惊叹！战壕中的尸体，有的不过十六七岁，也有的很像学生，青年人的战斗狂热可以想见了。”怀柔一战，日军死伤700多人，傅军也阵亡367人，受伤500多人，这一仗成了长城战役中的最后一场恶战。傅作义为纪念所部阵亡将士，后来在归绥附近的大青山建立起阵亡将士纪念碑，请北京大学教授胡适撰写碑文，由钱玄同书写。碑铭中写道：“这里长眠的是三百六十七个中国好男子！他们把他们的生命献给了他们的祖国！我们和我们的子孙来这里凭吊敬礼的，要想想我们应该用什么报答他们的血！”

早在3月22日，长城战事方酣时，蒋介石曾秘密来到北平，在居仁堂召开军事会议，他对与会将领们说，要以现有兵力抵抗，不能希望再增加援助。

4月下旬，中国军队已经损失严重，而且没有后续兵力，日军当时已经准备撤退，便以战迫和，中方不知道日方意图，担心平津有失，何应钦托北京大学校长蒋梦麟请英国大使兰浦生出面安排中、日间的停战谈判。蒋介石请他的义兄黄郛出面与日方联系。

4月24日，蒋介石在南昌与黄郛会晤，黄郛内定为行政院驻平政务整理委员会委员长，负责主持与日本进行交涉和停战谈判的任务。

5月21日，行政院长汪精卫得知平津告急，无计可施，便告诉北平军分会何应钦等可以根据情况酌情处置。后来他还告诉黄郛，在议和时除了不能在承认伪满洲国与割让四省的条约上签字外，其余条件都可答应。

日军本无占领平津的计划，而且它的策动华北叛乱的计划也破产了，坂垣征四郎收买的原北洋阀军张敬尧被中国特工人员在六国饭店刺死，这给那些投靠日本的汉奸们以很大的震动。坂垣征四郎也承认策反失败，急于压迫中国在接受日方苛刻条件后停战。

5月24日，日军迫近顺义、通州和香河，北平已经三面受围，日军飞机在北平上空盘旋。中国的前线部队已经处于溃退中，而后方没有增援部队。黄郛、黄绍、何应钦等紧急商讨对策，最后决定由军分会作战处处长徐祖诒充任军使，向日军求和。徐祖诒于25日到达顺义的关东军第八师团司令部，西义一师团长接待了中国军使，在乘机提出苛刻的条件并迫使徐祖诒接受后，同意暂时停战。25日，中日双方全线停战。

1933年5月30日，日中双方代表在塘沽举行会谈并签订停战协定。中方全权代表是参谋部厅长熊斌，日本全权代表为关东军副参谋长冈村宁次。熊斌于第一天会后声明，停战会议完全以军事为范围，不涉及政治事宜。第二天上午，日军代表冈村宁次拿出事先印刷好的停战协定草案，声称这是最后草案，中国代表必须在1个半小时内做出是与否的答复，在距日方限制时间不到10分钟的时间里，中国代表被迫一字不改地签订了协议。这便是屈辱的《塘沽协定》。

《塘沽协定》规定，中国军队须撤退到昌平、延庆、香河、芦台等地连线以南、以西的地区，日军为确认中国军队的执行情况，有权用飞机或其他办法来视察；日军退至长城线以北一线；在长城线以南与中国军队撤退地区的以北、以东地区为缓冲区，由警察维持治安。

《塘沽协定》是一个军事协定，也是中方无奈之下签订的城下之盟。这个协定的达成，结束了“九一八”事变以来南京政府既不全力对日作战，又不愿屈服谈和的犹疑局面。蒋介石、汪精卫已经决意避免在日本与红军之间两线作战，而彻底实施“攘外必先安内”的方针，将精力转向围攻红军。对蒋汪政府而言，该协定让它赢得了数年的喘息之机。但《塘沽协定》使中国对冀东22个县的主权名存而实亡，它不仅没有妥协者所幻想的那样能保卫平津和华北，反而成为被日本利用来蚕食华北、分离华北的利器。