1937年2月初，日本林铣内阁上台，立即宣扬不尚武的新政策。日本商界则频频伸出橄榄枝，派团访华，只谈经济，不谈政治。4月，日本外务省通过了《第三次处理华北纲要》，表示要"采用公正的态度...形成日中间的友好关系。"华北驻屯军也一反常态，主动和冀察当局改善关系，不仅史无前例地赠送二十九军十几门山炮，还邀请宋哲元、张自忠两人访问日本，参观陆海空联合演习。
宋哲元不愿去，于是由张自忠率领代表团访日。当面对新闻界质询时，宋哲元说道："中日为远东大国，应对于远东事件，共同负责，否则他人获益，而中日两国俱蒙不利，渠希望两国负责领袖，各了解其本国地位，而勉力消除现有困难，并根据平等原则，以增进双方之繁荣与和平。"这番话又遭到各界抨击，让宋哲元苦恼万分。其实宋也不过是应和南京政府对日外交的基调，日本人破天荒陪起了笑脸，总不能不给人家一点面子。
事实上日本伸出的橄榄枝完全是假象
1937年春，日方从关外大批调运关东军入关，平津间的日军增加到三、四万人。从4月25日起，华北驻屯军在平津近郊频繁进行战斗演习，6月开始进行以攻击卢沟桥、夺取宛平城为目标的昼夜演习。6月21日，华北驻屯军紧急成立临时作战科。一切迹象表明，日本军方正在积极备战。
由于二十九军在平津和日军胶着对峙已经有两年，其间冲突事件不断，但都得以政治解决，因此从上到下麻痹大意，对日军的频繁活动缺乏重视。另一方面，二十九军将士也过高估计了自己的实力，认为平津地区日军以区区三万人，断然无法和十万之众的二十九军对抗。1937年5月，宋哲元厌倦了和日本人周旋的生活，离开北平回到山东乐陵老家养病。正当宋哲元在家乡享受难得的闲暇之时，爆发了震惊中外的卢沟桥事变。
宋哲元从山东返抵天津
此时宋哲元认为"日本还不至于对中国发动全面战争，只要我们表示一些让步，局部解决仍有可能"。南京方面的指示也是"应战而不求战"。根据这个精神，二十九军各部都按兵不动。三十七师旅长何基沣要求趁丰台日军空虚之际主动攻击，被张自忠制止。实际上，日本政府已经做出了扩大战争的决策，只是华北日军在宛平一战发现二十九军战力强劲，这才感到兵力不足，与冀察当局的交涉只是缓兵之计，争取时间增调部队。宋哲元与张自忠等人对此缺乏清醒判断，仍致力于通过外交斡旋解决事变，于是与日方签订了停战协定。
卢沟桥事变时的平津地区态势
日军根据停战协定占据了各个战略要地，和二十九军阵地犬牙交错。这样二十九军只得眼睁睁地看着日军在停战协定的掩护下频繁调动，占据有利攻击位置。一直到7月下旬，宋哲元依然对局势没有清醒认识。这时中央军增援部队已经开到保定、沧州，到这时宋哲元还在担心中央军来抢他的地盘，在24日给蒋介石的一封信中仍说"刻下拟请均座千忍万忍，暂时委曲求全，将北上各部队稍为后退，以便缓和俾得完成准备。"
到7月底，日军已经陆续从国内和东北增调第五、六、十、二十师团和独立混成第一、十一旅团到平津地区，加上原来的天津驻屯军，总兵力达到十几万余人。26日晚，中国驻屯军司令官香月清司向宋哲元发出最后通牒，限二十九军于27日正午以前撤出北平，被宋哲元严辞拒绝。宋哲元这时才明白战争已经不可避免。27日，宋哲元召开军事会议，准备在8月1日发动进攻，冯治安三十七师会同赵登禹一三二师主力攻丰台，张自忠三十八师攻天津海光寺。
日军先发制人，于28日凌晨发动全线进攻，南苑、北苑、西苑、通县等地均发生激战，二十九军仓促应战，局势非常不利。宋哲元将要面临两难选择：平津地区无险可守，日军拥有优势兵力，又占了先机，此战二十九军不但难操胜券，而且连老本都有可能赔上；如果撤退，丢失平津责任重大，无法向南京、向国民交代。宋哲元正犹豫不决之时，噩耗传来，南苑的二十九军军部遭到日军主力攻击，副军长佟麟阁、师长赵登禹阵亡，军部直属部队和一三二师寡不敌众，被击溃。南苑丢失，二十九军防线被拦腰砍断，危在旦夕。
蒋介石发来电令，让宋哲元撤到保定
宋哲元此时保存实力的心思很重，他对张自忠说："西北军是冯先生一生心血所建，留下的这点底子，我们得给他保留着。此事非你不能做到。二十九军战线过长，我们要把部队收容起来，只有你能和日本人谈判，拖延一个星期......"张自忠临危受命，代理北平市长，他对秦德纯说："你同宋先生成了民族英雄，我怕成了汉奸了！"29日凌晨二十九军除留下四个团维持治安以外，全部撤走。
北平人民清早出门，发现国军已经抛弃了平津人民退走了，而张自忠署名的告示四处张贴，劝告民众各安其业，不要惊惶自扰。于是舆论大哗，都认为张自忠做了汉奸，一时间举国声讨"张逆自忠"。张自忠是一个自尊心、荣誉感非常强的人，这次遭遇对他打击很大，从此萌发死志。