平津作戰結束後，中國軍隊多集中於保定，平漢線及保定的戰略地位更顯突出，成爲中日雙方必爭之地。對中方來說，擁有保定，進可以收復平津，退可以沿路拒敵，粉碎其“速戰速決”戰略。爲防敵人南侵，拱衛保定，中方在平漢線保定以北地段上設置了三道防線，其配置如下：孫連仲第1軍團(第26路軍)及檀自新騎兵第10師在房山、琉璃河、固安一線佈防;曾萬鍾第3軍在易縣、淶水、高碑店一線構築陣地;關麟徵第52軍在滿城、保定及新安一線設防。
此外，又以裴昌會第47師集結在第一與第二道防線之間的涿縣，作爲機動。蔣介石一再催促有關將領加速修築禦敵工事，他在給石家莊行營主任徐永昌等的電報中稱：“構築據點、趕修城防，與構築陣線同樣重要;而據點尤宜固守也。此時應嚴令各縣長趕修城防，速爲固守之備。遵辦如期完成者，加賞晉級;否則嚴懲勿貸，並作爲有意放棄城垣，不盡職守，以漢奸罪論也。此事比任何防務爲急要，務希派員督促，並籌劃守城之準備爲要。”(《蔣介石致徐永昌劉峙電》(1937年8月10日)，載《作戰經過(二)》，第116頁。)
平綏線作戰先期發動後，蔣介石曾有利用平漢線支援平綏線，甚至兩線合擊反攻平津的設想。他先命令衛立煌率第14集團軍北上增援南口，後又批准第2集團軍反攻北平的計劃，該計劃稱第2集團軍“應以一部在固安附近牽制當面之敵，另一部沿平漢線前進。主力由房山縣西北山地向北平進出，協同南口友軍會攻北平”。(《劉峙致蔣介石電》(1937年8月18日)，載《作戰經過(二)》，第124頁。)8月19日，蔣電令徐永昌、劉峙，“各路各派有力之一部，向平漢路攻擊前進，使敵軍首尾不能相應，以達成衛(立煌)軍之任務。如津浦路不及出動，則平漢路亦應單獨前進”。(《蔣介石致徐永昌劉峙電》(1937年8月19日)，載《作戰經過(二)》，第126頁。)然而，隨着日軍大舉增兵華北，中方反攻計劃成爲泡影。
爲掩護第14集團軍的北上行動，孫連仲率第1軍團向良鄉、坨里作局部進攻，牽制日軍。8月21日，該部與日軍第20師團接觸戰鬥，南口失守，第1軍團即後退設防。
9月4日，日本華北方面軍司令寺內壽一下達作戰命令，要求第1軍“消滅面前敵之先遣兵團……準備攻擊保定附近之敵”。(《日本軍國主義侵華資料長編——(大本營陸軍部)摘譯》，第356頁。)10天后，第1軍對平漢線發起總攻擊，分三路南下：第20師團沿鐵路線向房山、琉璃河正面攻擊;第6師團、第14師團則在平漢線東側分別渡過永定河，攻固安和永清，對保定以北的涿縣成合擊之勢。中國守軍均在正面憑藉所築工事抗擊來犯之敵，戰況甚烈，至18日，日軍首先從右路突破防線，中國部隊紛紛後撤，放棄涿縣。其中第3軍退向保定，萬福麟第53軍移至任丘，其餘各軍則撤到石家莊一帶重新佈防。這樣，中方設置的第一道防線被敵突破。第二道防線則是不戰而潰。
日軍決心全力攻擊平漢線，迅速佔領保定。第1軍沿鐵路兩側急速南下，21日已經到達保定以北，在鐵路西側，第20師團一部與中國關麟徵第52軍在滿城發生戰鬥，擊穿守軍陣地，並挺進方順橋，抄保定守軍的後路。一部直攻曹河，從正面壓迫保定。同時，華北方面軍命令在津浦線作戰的第2軍以一個師團朝正定突擊，切斷平漢線中國軍隊的退路，命令第5師團派主力配合第1軍攻保定。平漢線上的態勢不利於保定城的防守，中國軍隊“本擬於保定附近與敵決戰，然僅有關麟徵三個師，不願將其消耗於河北”，(《白崇禧回憶錄》，第157頁。)遂決定退出保定。9月24日，日軍佔領平漢線上戰略要地保定。
