根据大本营的命令，寺内寿一制定了具体的作战计划——第一军准备向石家庄方向攻击，突破防线后，向顺德方向紧追中国军队，并以一部进入井陉以西要地，从后方策应第五师团。尤其要尽量消灭溃退中国军队之有生力量；第二军由釜阳河左岸进攻中国军队主力后方，争取进至德州一线；板垣征四郎率第五师团南进，攻取太原。
第一军于10月10日顺利占领石家庄以后向漳河一线压进，第二军也完成了攻占德州作战计划，攻入山西的第五师团却遭到了一连串的顽强反击。先是在平型关被中国八路军第一一五师打掉了供给部队，受到重创，打破了“日军不可战胜”的神话。随后，中国守军顽强抵抗，又取得了“忻口阻击战”的胜利。板垣的第五师团在忻口久攻不下，死伤惨重。为了拿下太原，挽回败军的面子，寺内寿一一面飞到忻口前线督战，一面命令驻北平的中国驻屯混成旅团前往增援，派第二十师团沿正太路西进，进攻娘子关以图夹击太原，第一○九师团主力和第一○八师团一部增援第二十师团。
忻口前线，中国守军向日军发起反攻10月底，第二十师团突破娘子关，沿正太路逼近太原。11月初，第五师团突破忻口阵地，形成对太原的南北夹击之势。
11月5日，南北日军开始猛攻太原，国民党第七集团军总司令傅作义率兵固守孤城，与日军苦战三日，不得不退出太原向西突围。11月9日，第五师团终于占领太原。寺内寿一并不满足，他渴望乘胜继续南进，占领济南。但此时，大本营的侵略重点是在华中地区攻占南京。11月24日，御前会议通过陆军作战计划，要求华北方面军“无益扩大战线，停止下来保持迎击敌人的态势”，并侧援华中方面军进攻南京。
占领华北之后，根据大本营的命令，不能扩大战线而不得不“闲”下来的寺内寿一，又干起了另一桩事，那就是整顿华北占领区的“治安问题”。1937年12月22日，寺内寿一以华北方面军司令部的名义颁布了《日军占领地区治安维持实施要领》。寺内寿一在“实施要领”中指出，是“土匪”的活动及经济不稳定导致了“治安”的混乱。而“对匪帮的讨伐，重点指向共军，特别对已建成的共产地区，努力尽早将其摧毁”，把“剿匪”的矛头指向八路军的抗日根据地。
其实，在这之前，八路军就是搅得寺内寿一后院不宁的眼中之“刺”，他刚上任不久，就开始集中“讨伐”山西的八路军了。9、10月份，寺内寿一命令华北方面军第一军对晋中北部丘陵地区进行“肃整”作战，希望“尽剿”八路军，“除之而后快”。9月15日，寺内寿一向来前线视察的天皇侍从武官汇报说：“皇军威力未曾达到的山西北部及连结太行山脉的山岳地带，乃共军巢穴，其影响至今及于华北地区。因此，必须彻底扫除，以绝后患。”而事实证明，他的“后患”并没有被绝掉，共产党领导中国人民顽强抗日，最终将这伙侵略的强盗赶出自己的家园!
寺内寿一还为华北建立一个“新政权”“苦心经营”，他希望建立的这个“新政权”不是地方性的，而是取代南京政府的中央政府。虽然大本营对诱降国民党政府还抱有一线希望，并不急于马上与蒋决裂。但寺内寿一强硬地一面派人游说大本营，一面着手进行“新政权”的筹备工作，在华北有一定势力的汉奸王克敏便被他相中了。
事实上，关于“华北政权”的建设，早在日军占领平津之后，就被提上日程了。8月12日，陆军省就通过了《华北政务指导纲要》。9月4日，根据纲要寺内寿一命令特务机关长喜多诚一“指挥所属部员对军方作战的后方地区(包括冀东)执行各有关政务事项，统辖指导中国方面的机关，为使该地区成为实现日、“满”、华合作共荣的基础而进行各项工作”。通过拉拢汉奸走狗们，日军终于在9月23日建起了“平津治安维持联合会”。12月14日，即南京陷落的第二天，在寺内寿一的直接“关怀”下，日军以王克敏为中心，终于拼凑了一个“中华民国临时政府”。临时政府成立后，又拼凑了警察队和保安团，作为日寇的“左膀右臂”镇压人民群众的抗日运动。
整理了“后院”，寺内寿一就迫不及待地准备率军再上前线冲锋陷阵了。攻占南京的第四天，即1937年12月17日，大本营批准了寺内寿一进攻济南的作战计划。寺内寿一终于获得批准，可以挥兵南下了。他先命令部队奇袭济南，并向青岛进攻。拿下济南、青岛两个重镇，山东就尽在日军华北方面军的掌控之下。
参加徐州会战的日本侵略军的主要将领寺内寿一并没有就此满足，他的目标是进行徐州会战以沟通南北战场，打通津浦铁路线，再沿陇海线追击中国守军，最后与华北、华中日军会师武汉。
但是，大本营并没有立即同意他的计划。因为参谋本部此时的决策者正决心切实按全面持久战思想来指导战争，以8月之前绝不发动新作战为原则，专门进行兵团的新设、整顿和军纪整肃。
因而，1938年2月3日参谋本部给寺内寿一的作战指示，提出：在胶济铁路沿线方面，现已占据之线或其他方面，均不得超过黄河线进行作战；将来第一一四师团编入贵军时，可置于平津地方待命，以备大本营使用；对第五师团，为于必要时从海路迅速转调其他方面，故其位置应在胶济沿线。
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