8日拂晓约5点，日军在宛平城之东面、东南面及东北面展开包围态势。完成军事进攻部署后，日方先要求他的外交人员进城，继又要求武官进城，当即为宛平城中国驻军团长吉星文和行政督察专员王冷斋严辞拒绝。5时，牟田口又派人送信，向宛平县政府发出通牒，提出三条要求：（一）即于当日下午8时前，中国军队撤退到永定河西岸，日军撤至永定河东岸，如果逾期，使用大炮攻城；（二）通知城内居民撤至城外；（三）城内的日本顾问樱井、翻译斋藤出城。牟田口大佐的通牒，显然是以武力相威胁，企图胁迫中国军队放弃宛平，以便垂手而得宛平。对此，王冷斋等人答复说，（一）本人非军事人员，对撤兵一节未便答复；（二）城内人民自有处理办法，勿劳代顾虑；（三）樱井等人早已令其出城，惟彼等仍愿在城内谈商，努力于事件之解决。日军见威胁恐吓达不到目的，便露出了真面目。下午6时左右，日军开始以猛烈的炮火攻击宛平县城。由于战前日军已多方摸底，对宛平城内中国军、政首脑机关的位置已烂熟于心。炮轰开始后，第一炮便炸毁了专员公署，炸伤了守军营长金振中。
见日军开始了武力侵略，中国第29军司令部下令前线部队奋力反击，宛平驻军坚守阵地，驻守西苑的何基沣旅奉命从长辛店以北、八宝山以南向日军反攻，双方激战至深夜，何基沣旅夺回了被日军占领的卢沟桥附近的铁路桥及回龙庙等地。
8日的激战，颇出日军意外。几年来，与中国军队争锋较量，往往是只要日军软硬相、军队相向，中国军便自然退缩。接下来的，自然又是中国方面忍辱退让，签署种种有利于日本人的条约。所以几年来，日军的每次威胁只是喊得凶、叫得响，说到真正作战，兵力处于劣势的日军并没取胜的把握。
日本人实际上一直是在玩武力威慑的把戏，在进行一场冒险。但7月8日这一天，日军的把戏玩过了头，因而第一次尝到了失败的滋味。
先是宛平城，日军炮轰过后，便斗着胆向城下冲来。见城内迟迟未予还击，第一线冲击的日军便认为中国军人怯战，因而胆更大了，不少士兵甚至直着身子向前冲。当日军冲至城下300米左右时，宛平城墙上中国守军齐s的密集枪声响了，日军猝不及防，伤亡惨重。在随后发动的几次强攻中，日本人也未讨得半点便宜。
宛平城外的卢沟桥铁桥，中日两军为夺取该桥也发生了激战。
8日激战一天，日军以数十人的伤亡代价夺占了铁桥南端，桥北端却仍在1个连的中国守军手中。
守卫卢沟桥的战士在掩体后面准备战斗
双方各自据桥一端，谁也再无力发动反攻了，8日战况陷于胶着。
8日夜，平津一带飘起了霏霏细雨，激战竟日的日军终于松懈了一天的紧张，渐渐进入梦乡。然而此刻，由长辛店驰援卢沟桥的29军1个营，已逐渐接近宛平地区。
9日拂晓，卢沟桥铁桥北端中国守军和从长辛店到来的增援部队，在细雨中向桥南端日军发起了进攻。两军南北夹击，手榴弹、大刀片施展了威风。当时的情景，令不少曾参加过长城抗战的官兵又感觉到了几年前的骄傲和自豪。
西北军的大刀是最令日军胆寒的武器。来中国的日军，除了腰缠“武运长久”旭日旗外，还裹着出征时亲友织送的“千人针”，据说这样不会战死。但他们更信牵日本的传统迷信，如果在战场上给枪炮弹打死，还可以超生转世为人，如果给大刀砍下了脑袋，那不但是耻辱，而且永世不得超生。日本佛教带给日本士兵的这种观念，使他们对大刀的恐惧甚至远甚于枪林弹雨。
但刀柄上系着红绣球的大刀却不认什么迷信。它们只认日本人。卢沟桥上，不少日军见大势已去，又见闪亮的大刀舞向自己的头顶，早已忘了皇军的威严，跪地求饶，有的只求中国士兵一枪崩了他，却千万别用刀砍。
卢沟桥铁桥奇袭，全歼日军。这一仗可以说是整个战事中最漂亮的一仗。
8、9两日战事，日军未讨得便宜，中、日两军，此刻都在调兵遣将，战事明显在向着扩大的方向发展。
中国守军的顽强抵抗和日军攻击行动受挫，大出华北军统帅部所料。10日上午，日军华北特务机关长松井大佐来到北平29军指挥部，向29军副军长秦德纯说起了软话。松井在大谈一番两国友谊之久远、两军合作之默契后，向秦德纯表示，此番卢沟桥引发的冲突系出误会，希望两军能停战会商。
秦德纯身为军人，又与日军在华北周旋多年，深知其秉性狡诈，此举议和，很可能是缓兵之计。但由于29军几年来“不应战”的一贯政策，使其生出些侥幸心理。由于此时军长宋哲元远在山东老家，他这个代理军长自然不愿把事情闹大，日本人主动提出就地协商解决，何乐而不为。双方经过商定后，达成了几点协议：（一）双方立即停战；（二）双方各回原防；（三）双方组织视察团监督双方撤兵情形。协议达成后，松井要求秦德纯以保安部队接替吉团防务。秦德纯略一思忖，认为对中国守军并无大碍，便答应了。当下，又增加保安队一团到卢沟桥城内。在执行协定时，日军也耍起了心眼。当时日军仅将其第一线部队撒至预备队之位置，反责我方未撤回原防。秦德纯当即答复：
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