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当日军突破第二战区部队内长城防线、决定向太原进攻时，在平汉路北段作战的第一战区部队，正向石家庄地区撤退。蒋介石为确保山西战略要地，调第14集团军入晋作战。新任第一战区司令长官程潜，即以第26路军和第20集团军沿滹沱河两岸布防。10月6日，蒋介石又调第26路军入晋作战。程潜即以第20集团军和第14军团沿滹沱河两岸布防。
在平汉路北段作战的日军第1军攻占保定后，决定继续向石家庄进攻。9月28日，第1军司令官香月清司命令：第1军各部于10月1日起开始向石家庄攻击，3日到达曲阳、定县一线。这时得到石家庄附近发生霍乱病情报，日军停留数日，从6日开始，第14、第6、第20师团沿平汉路及其右侧展开，向石家庄进攻。7日，第14师团进至正定西北，第6师团进至正定东北。
8日，日军向正定发起攻击，守军第32军英勇抵抗。在日军猛烈炮火轰击下，县城东、西、北三面城墙数处被毁。随后，日军在烟幕弹掩护下突入城内，与守军第32军第141师展开巷战。这时城内、城外都在激战。旅长唐永良、林作桢受重伤，团长王成桂、营长张任夫英勇牺牲。同日18时，各部队先后撤出正定，向铁桥附近集结，正定陷落；正定以西的灵寿也失陷。9日晨，第141师师长宋肯唐率余部向正定城日军发起反击，未能奏效，撤至高迁村一带整顿。
在津浦路北段作战的日军第2军攻占沧县后，遵照“华北方面军”命令，将第16、第109师团转用于平汉路方面，策应第1军进攻石家庄。10月4日，两师团分三路：第109师团为北路，第16师团一部为中路，一部为南路，向石家庄以南平汉路以东地区前进。10日拂晓，平汉路正面日军第1军主力分左右两翼，在炮火掩护下强渡滹沱河成功后，向守军第139师全线发起攻击。守军三面受敌，寡不敌众，向元氏方面转移。中国守军于9日夜退出石家庄，10日下午，日军第1军所属部队未经战斗即占领了石家庄。
日军在华北地区发动攻势作战后，虽顺利占领了要地保定和石家庄，但原来决定在保定附近同中**队决战，歼灭其主力的计划却未能实现。而在上海方面作战又陷入胶着状态。
10月1日，日本四相会议决定新的《处理中国事变纲要》，其主要设想是，华北和华中战局要扩大，而且着眼战争的旷日持久，设想通过10月攻势的战果，找到结束战争的机会，同南京政府和平解决。政府认为解决华北问题的目标是，实现日、满、华三国共存共荣，实际上就是过去一贯主张的华北自治。
10月1日，日本大本营命令方面军‘以一部兵力在山西省北部作战，占领太原’，同时又指示，‘在山西方面作战地区大概定为太原以北’。这是由于大本营采纳了板垣师团的意见，重视了太原的战略价值。由此，方面军下令板垣师团长指挥山西北部作战，向太原进攻，第1军向石家庄进攻，第2军沿津浦铁路进攻。这就是华北日军当前的作战计划。
日军第1军司令官香月清司决定，以主力第14师团、第108师团、第6师团，沿平汉路两侧继续向南进攻，令第20师团在石家庄地区守备，并令该师**少数兵力沿正太路作战，以钳制中**队于娘子关一线，不使其转用于太原以北地区。待日军在平汉路向南攻击到一定程度，再将主力转用于正太路，以便协同板垣第5师团会攻太原。
日军占领石家庄后继续南进，13日占元氏，14日占内丘，15日占邢台，17日占邯郸，18日到达漳河一线。“华北方面军”令第1军在邢台以北地区集结，准备向安阳进攻。此时忻口地区的第5师团正陷入苦战困境，“华北方面军”即调第1军主力一部沿正太线，迅速进入山西榆次地区，协同第5师团会攻太原。
日军第2军于10月10日，向守军第53军及骑兵第3军阵地攻击；当晚第53军及骑兵第3军南撤。日军继续南进，于12日进占宁普，16日进占南和。尔后，第109师团集结在邢台东北地区，第16师团集结在宁普地区，为尔后向安阳进攻作准备。
这样，中国第一战区部队与日军仅进行了零星战斗，便放弃了石家庄南北广大地区，撤向冀南和豫北；而日军从容地集结休整，并无后顾之忧地派主力一部沿正太路向娘子关进攻，协同在晋北作战的日军会攻太原。