１９３７年７月７日下午，日军驻丰台的第３大队第８中队在中队长清水节郎大尉指挥下又进行战斗演习，地点选择在卢沟桥北永定河东岸上的回龙庙附近。这里是第２９军防地。由于该地守军枪炮配备了实弹，情况与往日不同，因而逐级上报给正在保定的师长冯治安。冯立即赶回北平作应战准备。晚上１０时３０分左右，日军演习场上突然响起了几阵枪声。本系日军自己所射，但清水节郎却向上级报告，诡称听到宛平城内发枪数声，发现一名士兵去向不明。当时日本驻屯旅团长河边正三少将在秦皇岛检阅步兵第２联队，职务由第１联队长牟田口廉也大佐代理。牟田口于夜１２时许接到报告后命令第３大队长一木大队长立即前往现地部署战斗，并向驻宛平城的第２９军交涉。一木大队长率大队主力到达现地后，占领了沙岗村北大枣园山南北一线进攻出发地位。这时日军驻北平特务机关长松井太久郎大佐致电冀察外交委员会，声称： 日本陆军１个中队夜间在卢沟桥演习，仿佛听见由驻宛平城内之军队发枪数响，致演习部队一时呈混乱现象，结果失落日兵１名，要求进入宛平县城搜索日兵。冀察外交委员会将松井电话的内容报告了第２９军副军长兼北平市长秦德纯，请示如何处理。秦立即答复：“因为日军的演习未经许可，士兵下落不明本当局不负责任。如果是事实的话，由当局的警察来搜索。”经拒绝后，松井又致电冀察外交委员会，称：如中国方面不允许，日本将以武力保卫前进。秦德纯即指示驻守宛平的部队和河北省第四行政区专员兼宛平县县长王冷斋迅速查明真相，以便处理。王随即通知城内驻军第３营营长金振中。经查，城内驻军并无开枪之事，也未发现所谓失踪日兵的踪影。王将清查事实向市府报告后，奉命与冀察外交委员会主席魏宗瀚等前往日本特务机关与松井谈判。结果决定由中日两方派员同往宛平城调查。这时所谓“失踪的日兵”已经归队，一木却与牟田口廉也通电话，污蔑“中国军队再次开枪射击”，请示“对此我方是否应予以回击?”牟田口回答说：“被敌攻击，当然回击!”一木深知挑起战争的严重责任，又追问了一句：“那么，开枪射击也没有关系吗?”牟田口予以肯定的回答。这实际上就是命令日军向中国军队开始进攻。
７年之后，牟田口升任中将、任侵缅第１５军司令官时，日军战败的局面业已形成。他追忆当年，常对人说：“大东亚战争，要说起来的话，是我的责任，因为在卢沟桥射击第一颗子弹引起战争的就是我，所以我认为我对此必须承担责任。”他在其笔记中也写道：“我挑起了卢沟桥事件，后来事件进一步扩大，导致卢沟桥事变，终于发展成这次大东亚战争。”牟田口率部向中国军队打了第一枪，这是事实；但他说发生大东亚战争是他的责任，这就不符合历史，因为日本发动这场战争，是早就在计划之中的。
８日晨５时，日军第３大队长一木下令所属部队从铁路北侧地区向宛平城外第２９军部队阵地进攻，同时下令位于沙岗村北侧大枣园山的炮兵射击，支援步兵进攻。严阵以待的守军奋起抵抗。第２９军副军长兼北平市长秦德纯命令团长吉星文：“保卫领土是军人天职，对外战争是我军人的荣誉，务即晓谕全团官兵： 牺牲奋斗，坚守阵地，即以宛平城与卢沟桥为吾军坟墓，一尺一寸国土，不可轻易让人。”于是卢沟桥附近中日两军的战斗开始。
与此同时，日驻屯军作战主任参谋拟出了一个《宣传计划》。其“计划”的方针是：“主动地引导事态的发展，以使我国处于有利立场。”其“要领”的主要内容有：“要人的监禁： 立即把秦德纯、冯治安绑架到北平警备队内，不许自由发表言论和行动”，“对宋哲元”，除了令济南特务机关长促其返天津外，要“严密监视其言行及与其接触的要人”，“万不得已时，济南特务机关长可果断采取最后手段，由驻屯军负责实施”；并决定“占领卢沟桥，令驻天津的步兵第１旅团第２大队、炮兵队之大部、工兵约１个中队速赴丰台，在步兵旅团长指挥下，最迟于７月９日正午左右占领宛平县城”。“言论导向”中说：必须“强调我国作为东亚盟主不得不下坚定的决心”，“不管中央统帅部的意图如何，驻屯军事实上不能不采取作战行动”。其“说明”中还提出：“由于特殊的目的，作非事实的报道，当然也是随机应变之道”。“我国的对华态度，换句话说，即经营大陆的理想，过去以至将来都应完全光明正大”。最后又告诫说：“表示不扩大，就地解决等意图，不仅有可能与标榜坚定决心相矛盾”，“因此，应避免这种措辞”。
战斗打响以后，秦德纯、冯治安、张自忠等召开了紧急会议，并发表声明，提出： 和平固所愿，但日方如一再进攻，为自卫计，惟有与之周旋。前线守军士气极为激昂，表示“愿与卢沟桥共存亡”。激烈的战斗延续到下午６时左右，日军攻占了龙王庙及其附近永定河东岸地区，并有一部突过永定河，占领铁路桥西头一部分地区。在战斗中，双方均有严重伤亡。
日本“中国驻屯军”司令部在事件发生后便得到了报告。这时田代司令官正在生病卧床，职务由参谋长桥本群少将代理。桥本群当即于８日凌晨１时半召开会议，命令驻天津各部队于８日３时作好出动准备，同时命令正在秦皇岛检阅部队的旅团长河边立即返回北平。９时下达如下命令：
“一、 军要确保永定河左岸卢沟桥附近，谋求事件的解决。
“二、 步兵旅团长应解除永定河左岸卢沟桥附近中国军队的武装，以利于事件的解决。
“下列部队中午由天津出发经去通州（通县）公路到达通州时，受你指挥： 步兵第１联队第２大队（欠步兵2个小队）、战车第１中队、炮兵第２大队、工兵１个小队。”
８日下午３时，日军联队长牟田口亲自到卢沟桥前线指挥作战。他感到第３大队分割在永定河东、西两岸是十分危险的，所以命令调第１大队向卢沟桥前线集中，第３大队在下午６时全部转移在永定河东岸龙王庙北、大瓦窑地区。旅团长河边也于当日下午３时５０分回到丰台。他了解战况后，命令第１联队主力集结于永定河东岸，准备于９日拂晓攻击宛平城，并将旅团司令部设在丰台的日本兵营内。
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