1937年7月底，日軍相繼攻陷平津后，兵分三路，分別沿平綏、津浦、平漢鐵路線發動大規模的戰略進攻，國軍傅作義、湯恩伯、劉汝明等部合編的第七集團軍、宋哲元的第一集團軍和劉峙的第二集團軍分別担任三線的防御。8月7日，平綏線日軍向南口及其沿線長城要隘展開進攻，南口戰役打響，國軍在傅作義指揮下苦戰18日，始終是不敵日軍，遂于8月26日撤退，日軍占領南口附近重鎮懷來、延慶，南口戰役結束。南口戰役期間，8月23日，日軍占領居庸關，突破長城防線，戰役后，平綏線日軍繼續沿平綏線西犯，占領察南、綏東和大同周圍地區。9月11日，津浦線日軍攻占馬廠，22日突破國軍陣地，先后占領姚官屯、滄縣和德州。同時，另一路在津浦線以西沿子牙河以南向西迂回的日軍也擊破了國軍的滹沱河防線。在平漢線上，日軍從9月14日起向涿縣地區發動進攻，國軍全線撤退，日軍于24日占領保定，隨后攻占石家莊、井陘、邢臺、邯鄲。此時，為抽調兵力增援淞滬戰場，日軍暫停了津浦、平漢線方面的進攻。

1937年10月，李宗仁被任命為第五戰區司令長官，駐徐州指揮津浦路沿線作戰，而此時華北日軍則將戰略進攻的重點放到了太原方向，并與以閻錫山為司令長官的第二戰區國軍展開太原會戰。10月初，坂垣征四郎率日軍沿同蒲線、越內長城直取太原，國軍也調集了16個師的兵力在以忻口為中心的兩側山地進行布防。10月1日，忻口戰役打響，兩軍激戰一周余，日軍最終攻占崞縣，并于11日再陷原平。10月13日，五萬多日軍在空軍的配合下在忻口以北發起猛攻，雖然一開始突破了國軍陣地，但國軍隨后便將其奪回。10月14日，日軍增兵，戰事成膠著狀；15日，國軍開始反攻，經反復激戰終于成功粉碎了日軍的突襲計劃。此后，兩軍竟日激戰，你爭我奪，相持近半個月，中共八路軍115和120師也參與了戰斗，在日軍側后進行突襲。

忻口戰役進行之時，已于10月10日攻陷石家莊的平漢線日軍派兵向娘子關進攻，以配合同蒲路日軍會攻太原，相繼攻陷井陘、娘子關、平定、陽泉、壽陽。至10月底，忻口戰場局勢惡化，守軍處于兩面受敵的危險境地，國軍遂于11月2日撤離忻口陣地，向太原撤退。接著，晉北、晉東的日軍會合，開始進攻太原，于11月8日突入太原城北，經激烈巷戰，太原于11月9日失陷，太原保衛戰結束。至此，國軍在華北戰場的大規模抵抗基本結束。

平綏線日軍在10月16日攻占包頭，同蒲線日軍也在攻陷太原后橫掃晉南諸城。12月，在攻取南京和滬寧杭地區的同時，長三角日軍兵分三路與從山東南下的華北日軍的兩個師團南北夾擊華北戰略要地徐州，企圖打通津浦線，南下進攻武漢。國軍方面，第五戰區司令長官李宗仁集結60萬國軍，按照“北攻南守”的作戰方針各派3個集團軍分別在蘇北和津浦線南段布防，阻止日軍進攻。12月中旬，日軍8萬人自鎮江、南京、蕪湖渡江北上，李宗仁調兵遣將將日軍堵住，并于1938年1月下旬以誘敵深入之計圍殲津浦路之敵，致使日軍不敢冒險北進，從而穩定了津浦線南段的戰事。

1937年12月下旬，華北津浦線日軍強渡黃河，山東省政府主席、第三集團軍總司令韓復榘為保全實力，不戰而逃，致使濟南于12月27日失守。1938年1月1日，泰安失守；8日，勢單力孤的青島守軍被迫撤退至沂水一帶。由于韓復榘連連失地，致津浦線北段正面大門洞開，日軍得以沿線長驅直入，國府因此于1月24日將韓復榘槍決。

2月，國軍擬向西推進，襲取濟寧、汶上，以牽制敵人主力。2月14日，中日軍隊在濟寧短兵相接，竟日激戰，國軍最后敗北，只得撤回。同時，進攻汶上的國軍也被日軍擊敗。隨后，日軍開始大舉南攻，國軍則不斷側擊南下之敵，使之難以順利前進，暫時穩定了戰局。

1938年3月29日，出于抗日需要，國民黨召開了臨時全國代表大會，大會決定在國民黨內恢復領袖制度，蔣介石出任國民黨總裁，汪精衛為副總裁。就這樣，蔣介石借抗戰名正言順的奪取了汪精衛長期在國民黨內的最高領袖地位，不過由于汪精衛在黨內影響巨大，因此蔣介石雖然手握實權，但表面上還要讓汪精衛三分。在這次會議上，國民政府還決定結束國防參議會，設立國民參政機關；4月，國民黨五屆四中全會通過了《國民參政會組織條例》，并于4月12日正式公布。同年7月6日，國民參政會第一屆第一次大會在漢口舉行。九年中，國民參政會共召開四屆，十三次，1947年5月，在南京召開第四屆第三次大會后宣布將其撤銷。

回頭繼續看華北戰局。日軍見津浦線主力南攻不成，便改變策略，派少壯派軍人板垣征四郎和磯谷廉介率兩師團會攻臺兒莊。臺兒莊位于津浦線臺棗支線及臺濰公路的交叉點上，扼運河的咽喉，是徐州的門戶，具有十分重要的戰略地位，日軍一旦得手臺兒莊，便可策應津浦線南端日軍攻勢，一舉拿下徐州。1938年3月11日，國軍張自忠部奉命趕赴臨沂，與城內守軍內外夾攻圍城的坂垣師團，雙方激戰數日，反復肉搏，國軍最終于3月17日將坂垣擊敗，使之向沂水退卻。接著，國軍緊追不舍，將坂垣逼到莒縣城內死守。臨沂之戰的勝利砍斷了津浦線北段日軍的左臂，粉碎了日軍兩路會攻臺兒莊的計劃，使國軍在后來的臺兒莊會戰中得以集中優勢兵力聚殲孤軍深入的日軍。

雖然板垣征四郎這一路日軍被國軍擊敗，但磯谷廉介卻勢如破竹。3月15日，礬谷師團在飛機、大炮的配合下進攻滕縣，國軍湯恩伯部主力沒能及時趕往馳援，致使日軍在17日晚占領滕縣，20日又陷郅縣，并沿臺棗支線向臺兒莊陣地突進。面對此種局勢，李宗仁調擅長固守的原西北軍孫連仲部駐防臺兒莊運河一線，扼守臺兒莊正面陣地。同時，李宗仁判斷，磯谷在此前的戰役中占了上風，驕狂不可一世，一定會不待蚌埠方面援軍北進，便直撲臺兒莊，以期一舉而下徐州，奪取打通津浦線的首功，因此，李宗仁決定請君入甕，讓湯恩伯部讓開津浦線正面，誘敵深入，待其直撲臺兒莊后再轉而與孫連仲部一起圍殲之。

不出李宗仁所料，磯谷廉介從滕縣南下后，完全不care湯恩伯的部隊，率領4萬日軍、七八十輛坦克、百余尊山野炮和重炮以及不計其數的重輕機槍一路直撲臺兒莊，于3月23日進抵臺兒莊北泥溝車站，與國軍發生遭遇戰，臺兒莊戰斗就此打響。

3月24日，日軍大舉進攻臺兒莊，國軍孫連仲部在一無平射炮，二無坦克的條件下殊死抵抗，與日軍展開近身肉搏，甚至懷揣炸彈與日軍坦克同歸于盡。盡管如此，日軍還是在當晚攻入了城內，國軍由此展開巷戰。3月27日，得到增援后的日軍對臺兒莊發動了三次攻擊，城內巷戰愈發激烈，國軍損失慘重。這一期間，國軍湯恩伯部為保全自身實力，竟置臺兒莊危急于不顧，作壁上觀；李宗仁雖多次催促，無奈湯恩伯乃蔣介石嫡系，驕橫不可一世，根本不服從調遣。最后，李宗仁在無可奈何之下電令湯恩伯：如再不聽命令，殆誤戰機，當以軍法論處，同韓復榘同樣下場。湯恩伯這才同意進軍。

此時，臺兒莊孫連仲部守軍幾乎傷亡殆盡，全莊四分之三已為日軍占據，日軍一面通過電臺宣稱已將臺兒莊占領，一面調集重炮、坦克瘋狂沖擊，企圖一鼓作氣，完全奪下臺兒莊。孫連仲深知，如再孤軍死守，必將全軍覆亡，因此于4月5日直接與李宗仁通電話，要求把部隊暫時撤到運河南岸，讓他的第二集團軍留點“種子”。然而，李宗仁清楚臺兒莊之戰的重要性，并估計湯恩伯部次日中午即可趕至臺兒莊北部，所以鼓勵孫連仲說：“敵我在臺兒莊已血戰一周，勝負之數決定于最后5分鐘。援軍明日中午可到，我本人也將于明晨來臺兒莊督戰，你務必守至明天拂曉……如若違抗，當軍法從事”。當夜，臺兒莊守軍組織敢死隊，分組向敵出襲，沖擊敵陣；日軍血戰多日，也是筋疲力竭，此時正在睡夢中，因此面對國軍的進攻猝不及防，節節敗退。在不到一個小時的時間里，國軍竟將為日軍所占的街道奪回四分之三。

4月6日，李宗仁親臨臺兒莊前線，指揮部隊向礬谷師團發起全線反擊，湯恩伯部也在當日天亮前趕到。4月6日黎明，國軍湯恩伯部從北面向臺兒莊日軍發起進攻，礬谷知已陷入重圍，下令部隊全線撤退。當晚，李宗仁親自指揮臺兒莊守軍全線出擊，已成強弩之末的日軍大敗，狼狽撤退。李宗仁下令追擊，國軍將日軍殺的尸橫遍野，槍械、輜重盡失，磯谷廉介率殘部突圍逃走。

在臺兒莊大捷中，國軍斃傷日軍一萬余人，俘虜700多，繳獲了數量不等的大炮、裝甲車、戰車和輕重機槍。臺兒莊戰役是中國在抗戰初期所取得的最大的勝利，極大的振奮了國軍乃至全民族抗戰的士氣。