平津作战结束后，中国军队多集中于保定，平汉线及保定的战略地位更显突出，成为中日双方必争之地。对中方来说，拥有保定，进可以收复平津，退可以沿路拒敌，粉碎其“速战速决”战略。为防敌人南侵，拱卫保定，中方在平汉线保定以北地段上设置了三道防线，其配置如下：孙连仲第1军团(第26路军)及檀自新骑兵第10师在房山、琉璃河、固安一线布防;曾万钟第3军在易县、涞水、高碑店一线构筑阵地;关麟征第52军在满城、保定及新安一线设防。
此外，又以裴昌会第47师集结在第一与第二道防线之间的涿县，作为机动。蒋介石一再催促有关将领加速修筑御敌工事，他在给石家庄行营主任徐永昌等的电报中称：“构筑据点、赶修城防，与构筑阵线同样重要;而据点尤宜固守也。此时应严令各县长赶修城防，速为固守之备。遵办如期完成者，加赏晋级;否则严惩勿贷，并作为有意放弃城垣，不尽职守，以汉奸罪论也。此事比任何防务为急要，务希派员督促，并筹划守城之准备为要。”(《蒋介石致徐永昌刘峙电》(1937年8月10日)，载《作战经过(二)》，第116页。)
平绥线作战先期发动后，蒋介石曾有利用平汉线支援平绥线，甚至两线合击反攻平津的设想。他先命令卫立煌率第14集团军北上增援南口，后又批准第2集团军反攻北平的计划，该计划称第2集团军“应以一部在固安附近牵制当面之敌，另一部沿平汉线前进。主力由房山县西北山地向北平进出，协同南口友军会攻北平”。(《刘峙致蒋介石电》(1937年8月18日)，载《作战经过(二)》，第124页。)8月19日，蒋电令徐永昌、刘峙，“各路各派有力之一部，向平汉路攻击前进，使敌军首尾不能相应，以达成卫(立煌)军之任务。如津浦路不及出动，则平汉路亦应单独前进”。(《蒋介石致徐永昌刘峙电》(1937年8月19日)，载《作战经过(二)》，第126页。)然而，随着日军大举增兵华北，中方反攻计划成为泡影。
为掩护第14集团军的北上行动，孙连仲率第1军团向良乡、坨里作局部进攻，牵制日军。8月21日，该部与日军第20师团接触战斗，南口失守，第1军团即后退设防。
9月4日，日本华北方面军司令寺内寿一下达作战命令，要求第1军“消灭面前敌之先遣兵团……准备攻击保定附近之敌”。(《日本军国主义侵华资料长编——(大本营陆军部)摘译》，第356页。)10天后，第1军对平汉线发起总攻击，分三路南下：第20师团沿铁路线向房山、琉璃河正面攻击;第6师团、第14师团则在平汉线东侧分别渡过永定河，攻固安和永清，对保定以北的涿县成合击之势。中国守军均在正面凭借所筑工事抗击来犯之敌，战况甚烈，至18日，日军首先从右路突破防线，中国部队纷纷后撤，放弃涿县。其中第3军退向保定，万福麟第53军移至任丘，其余各军则撤到石家庄一带重新布防。这样，中方设置的第一道防线被敌突破。第二道防线则是不战而溃。
日军决心全力攻击平汉线，迅速占领保定。第1军沿铁路两侧急速南下，21日已经到达保定以北，在铁路西侧，第20师团一部与中国关麟征第52军在满城发生战斗，击穿守军阵地，并挺进方顺桥，抄保定守军的后路。一部直攻曹河，从正面压迫保定。同时，华北方面军命令在津浦线作战的第2军以一个师团朝正定突击，切断平汉线中国军队的退路，命令第5师团派主力配合第1军攻保定。平汉线上的态势不利于保定城的防守，中国军队“本拟于保定附近与敌决战，然仅有关麟征三个师，不愿将其消耗于河北”，(《白崇禧回忆录》，第157页。)遂决定退出保定。9月24日，日军占领平汉线上战略要地保定。