日本的华北方面军，虽然拥有绝对优势的火力，但是在平汉线与津浦线的进展相当的谨慎与缓慢，不过华军也面临协同作战的困难，程潜与徐永昌解决不了中央军与西北军之间指挥与后勤的问题，蒋介石又将上海作战当成绝对的优先，因此中国在华北的各军，并未建立协同作战的能力，多数都只能各自为战而已。但是二十六路军的孙连仲部队，以及中央军五十二军的关麟徽部，在保定作战中，表现优异，给与日军相当猛烈的抵抗，但是在津浦路的二十九军，却再也没有打出士气与水准。日军在河北缓慢地向南推进，显然是在等待与华军的主力接触，不过日军的战略预期是完全落空了，直到九月二十四日，日本的第一军才攻占保定，华军顺利脱离战场，日军并未获得歼灭华军主力的机会，于是迫使寺内寿一决定，日军继续深入，沿平汉线南下进攻交通与军事重镇石家庄。
这时蒋介石既已将决战的主力东调，于是下令平汉线的中央军主力部队，沿正太铁路向山西高原的战略高地集中，以协助第二战区司令长官阎锡山防守山西，因此让出了战线侧翼。日军虽然顺利攻占石家庄，但是仍然没有捕捉到华军。不过这时由于日军第五师团与独立旅团，在山西北部作战不力，被阻在忻口，因而诱发华北方面军为了支持第五师团作战，提早发动攻占山西的作战[2]。
因为日本的华北方面军，既然无法在河北的作战行动之中照原计划，围歼中国的主力部队，于是关东军蒙疆兵团（原先的察哈尔派遣兵团改名）在山西北方的右翼，全力抢攻山西北部平绥线的重镇大同，以进逼山西内长城防线。而在山西战略要地大同作战的华军，竟然在部队没有及时进入阵地，就被日军快速进军的蒙疆兵团打得七零八落，阵地全线溃散。阎锡山因而无法有效掌控内长城以北防线的状况，气得枪毙了军长李服膺，华军只有不战而退撤离大同，退守内长城防线。（这时只有过内战经验的华军，根本不能了解一支现代化、一流水准的日军之武器、战术运用与其作战速度，因此在刚开始的作战上经常是无法招架日军的攻势。）(www.xing528.com)
这引起在大同东南方作战的日军第五师团，跃跃待试地向山西深入，因为第五师团在南口的平绥铁路作战中，就比不过察哈尔派遣兵团的表现，如今又怎能眼看着察哈尔兵团手到擒来地攻占大同？（事实上，日本关东军与华北方面军一直在为内长城防线，进行“地盘”的争执，关东军总是想控制察哈尔南部与山西北部，造成华北方面军极其不满）。
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