金振中随即向守卫宛平城东门的士兵下令：来宛平城的汽车须在哨前500米处停车，经哨兵检查后，方准放行。
中日调查人员出发前，王冷斋得到消息：驻丰台日军第一联队第三大队500余人携炮6门，由大队长一木清直率领向卢沟桥进发，事态变得更为严重。
调查组六人，分乘两车，在茫茫夜色中驶向宛平城方向。
凌晨三点，调查人员先到达驻丰台日军第一联队队部。联队长牟田口廉也对王冷斋说：“现在时机紧迫，应即迅速处理。阁下为地方行政长官，应负当地处理的全责，以免延误扩大。”王冷斋回答：“刚才在你们特务机关商定的是先调查后处理，现在我所负的只是调查使命，还谈不到处理。”牟田口廉也再三要求，都被王冷斋坚拒。
凌晨三点半，秦宅，焦急等待消息的秦德纯接到吉星文团长的电话：“约有日军步兵一营，附山炮四门及枪关枪一连，正由丰台向卢沟桥前进。我方已将城防布置妥当。”吉星文补充说，约10分钟前，一直密切关注对方动态的我军士兵发现，日军散开成为散兵线，以宛平城为目标，向西急进。
“听我的命令！”秦德纯提高嗓门说，“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我军坟墓，一尺一寸国土，不可轻易让人！”
吉星文当即回答：“请长官放心，吾团全体官兵已经做好一切战斗准备，誓与宛平城共存亡，卢沟桥不是吾人坟墓就是敌人坟墓！”这位族叔为抗日英雄吉鸿昌将军的青年军官，也曾在1933年的长城喜峰口向部下喊出：“拿铁血来洗国耻，收失地，为国家效命！”
宛平城外，调查组驱车而来。行至离城约两里处，王冷斋看到，公路右侧及铁路涵洞一带都被日军占据，枪炮摆列。显然，日本人已做好战斗准备。
同乘一车的寺平忠辅突然请王冷斋下车：“事态已十分严重，现已不及等待调查谈判，只有请你速令城内驻军向西门撤出，日军进至东门城内约数十米地带再商解决办法，以免冲突。”
王冷斋冷冷答道：“此来只负调查使命，你所提我军撤出、你军进城的无理要求，离题太远，更谈不到。”
寺平忠辅又说：“平日日军演习都可穿城而过，何以今日不能进城？”
王冷斋驳斥他：“我在这里从未允许你们演习部队穿城而过。你所谓先例在何月何日？请给我一个事实的证明。”
第一联队副联队长森田彻手指日军枪炮威胁说：“要请王专员迅速决定，10分钟内，如无解决办法，严重事件立即爆发，枪炮无眼，你等同样危险。”
王冷斋没有屈服，坚持先调查，“否则一切责任应由君等负之”。
森田彻恫吓不成，只得放王冷斋等人进城。
调查组汽车在指定地点接受检查后，一行人进了宛平城。时为晨四点。
日军进攻，中国血战
中日调查人员入城后，到专署大厅中会商调查办法。开谈不久，忽听城外枪声大作。时为晨四点二十三分。
据今井武夫回忆，当天凌晨，他跑到隔壁的联队本部，看到联队长牟田口廉也和一帮军官个个身穿整齐军装，围在办公室中央的一张长方形桌子旁。因为时任驻屯军步兵旅团长河边正三少将不在北平，牟田口廉也大佐便成了当天日方最高指挥官。
过了一会儿，大队长一木清直从前线打来电话，特地要求牟田口廉也亲自接电话。今井武夫听到牟田口廉也斩钉截铁地说：“被敌攻击，当然还击！”然后，“他避开话筒，独自嘀咕着：‘受敌攻击，不知所措，还等指示，天下哪有这样的军人？’”
目睹这一幕，今井武夫预感到这个命令将会导致的严重后果。电话那一头，一木清直似乎也感到事态的严重性，不放心地追问一句：“是可以开枪吗？”得到确认后，又慎重地说：“既是这样，事关重大，请对一下时间吧！”
“晨四点二十三分。”这一时间就这样定格在历史上。
今井武夫在回忆录里写道：“事后一木和我谈及他当时的心情时说：‘得到联队长的射击命令时，我大吃一惊。’”一木清直这个对宛平发动攻击的前线指挥官，1942年在瓜达尔卡纳尔岛败于美军后剖腹自杀。
“（日军）至距离约百米时，竟发炮鸣枪，冲锋前进，于是事件之冲突，遂即开始。”这是天津《益世报》在事变发生后第一时间所刊报道里的描述。当日军开枪时，中国士兵起初以为仍是演习，“及见其愈迫愈近，有意挑衅，始知系抢夺县城，当即起而应付，为正当防卫计，予以还击”。
保卫卢沟桥的战斗打响了，中华民族的全面抗战开始了！遭到抵抗的日军在宛平城外唯一制高点沙岗上向城内炮轰，掩护其步兵前进。金振中营长后来在《“七七事变”的发端》一文中忆及战斗打响后的情景：
震天动地的枪炮声，穿落我城和桥以及周围，同时高、陈、王三个连长均向我报告，说寇兵如潮水般向我们阵地扑来，如何应付？我回答说：只要进入我阵地前100公尺内，以猛烈火力而消灭之，决不放他生还。从此双方就发生激战。在这刹那间，单以营部房屋，就接连被炸倒、炸塌五大间，士兵死两人，伤四人。在这激烈的战斗中，我急急忙忙奔到城上指挥，继而转到桥上，最后又奔到右翼第十二连，均以“宁为战死鬼，不当亡国奴”两句誓言激励官兵。在这一过程中，我所带领的随从兵被日寇子弹穿死两个，伤一个。
永定河东岸回龙庙的战斗尤为惨烈。这里驻有十一连两个排六七十人兵力，日军发起进攻后，战士们给以近距离的迎头痛击，敌人死伤多人，被迫撤退。几分钟后，敌人开始炮轰我阵地，尔后，一大队步兵再次发起冲击。因敌我力量悬殊，我军伤亡惨重，身先士卒的一排排长、共产党员沈忠明身负重伤，仍在指挥战士们奋勇杀敌。敌人冲到我军阵前，战士们抡起大刀，与对方展开肉搏。沈忠明强忍伤痛与敌厮杀，终因体力不支，被敌人狠狠地劈了两刀，倒在血泊中，壮烈殉国，年仅27岁。三排排长李毅岑率余下的战士们继续血战。一刻钟后，回龙庙阵地失守，两排战士大部分牺牲，仅六七人生还。
宛平城东门是日军主攻目标，日军集中山炮向其猛烈轰击，将东门北侧城墙炸开了一个大豁口，步兵轮番向豁口发起冲锋。永定河河务局局长刘郁馥捐献出上万条防汛的麻袋，组织民工装上河砂，冒着枪林弹雨背到东门，帮助部队修补城墙。刚刚补好的城墙又被炸开，就再修，反复多次。有的士兵牺牲在自己刚垒起的那段城墙上。
为了减轻东门的压力，金振中令十连出西门，绕北城向东穿插。十连官兵如猛虎下山，杀向大瓦窑车站敌群，夺回了车站。队伍随后向南展开，火力直接威胁沙岗敌指挥部。敌人是沿铁路向南展开队形，我军是从北向南打，正好来了个“穿糖葫芦”，把敌人打得稀里哗啦。
在卢沟桥西长辛店二一九团团部指挥战斗的吉星文派出机枪连增援三营。机枪连战士们跑步奔向宛平城。尖兵刚上卢沟桥，发现铁路桥北有一队日本兵约一二百人，前部已到河心，队尾上了河滩，欲奔袭长辛店团部，切断三营后路。连长接到尖兵的报告，立即命令全连抢上卢沟桥，一字排开，消灭敌人。四挺重机枪、十几挺轻机枪一齐咆哮。卢沟桥上的石狮们，怒目圆睁，仿佛也在发出咆哮！咆哮声中，铁桥下的敌人被打得落花流水。
日军以重兵进攻十一连守卫的铁桥，并以火力封锁铁桥与宛平城之间的通道，形势相当危急。金振中派十二连组成突击队去接应十一连，同时加强西北城墙上的火力掩护。敌人发现了我方意图，迅速集中火力切断我城桥联系。弹雨纷飞，突击队赴铁桥受阻。
住在宛平城西门附近的一位五十岁上下的猎人，提起猎枪上了城墙，以城墙角为依托，举枪射向日本兵，弹无虚发，连毙多人。敌人被镇住了，火力稍弱，突击队就势夺路而上，奔赴铁桥抗敌。
我军规定的联络信号是用手电筒蒙上红绿绸子，敌人也是用红绿灯，夜色中，双方谁也看不太清，不好下手。后来，当东方开始发白，双方军服的颜色虽然还分辨不清，我军士兵却发现日军帽子后边有个“屁股帘”，这正是大刀砍的靶子。战士们手起刀落，杀得敌人鬼哭狼嚎。有位19岁的战士，连砍日军13人后壮烈牺牲。
长城抗战后，中国军人再一次用血肉之躯筑成新的长城。
当时在宛平城内的二一九团侦察参谋孙文涛记得，“那天早上，我方能够自己走下来的伤号，到包扎所从我门前经过，不足一小时，门前的路就被血染红了”。
这是中华民族的血性之战。王冷斋的诗句写出了当时中国军人的共同心声：“几许男儿腾热血，欲将宝剑快深仇。”
一夜血战后，国人心系一座桥
宛平城的专署大厅里，王冷斋质问樱井德太郎：“日军首先开枪破坏大局，应负酿成事变责任！”
樱井德太郎回应称，可能出于误会，一定努力调解，不使事端扩大。王冷斋打电话向北平方面报告日军首先开枪一事，请求交涉制止。
森田彻派人送信来，请中方派员出城谈判。双方商定彼此停止射击，让林耕宇和寺平忠辅出城去与森田彻商谈停火之事。
枪声停息了。时为晨七点五十分左右。林耕宇和寺平忠辅先后缒城而出。不久，林耕宇电告王冷斋，谈判无果，他将返回北平报告。
上午九点半左右，日军又开始炮轰宛平城，一颗炮弹落在专署附近，击塌屋角，谈判大厅里烟尘弥漫。王冷斋等人气愤不已，退出会场。场内留下樱井、斋藤、金振中及其随从兵。
樱井对金振中提出，只要中国军队当天傍晚撤至城西十里以外，他愿和金振中同到城墙东北角，插上白旗，表明中方接受日方要求，日军即可停止攻击，并保证金振中的个人安全。
金振中听后怒不可遏，厉声训斥樱井的狂妄无耻。
赶赴指挥岗位之后，金振中闻报，日军正向铁桥东端发起进攻，战斗打得十分激烈。他担心铁桥阵地守不住，立即抽调了守城的九连兵力，率九连、十连冒着密集的炮火，向围攻铁桥东端的日军进击。经过两小时的战斗，将日军击退，铁桥东端的阵地得以收复。
这个时候，经过一夜血战的卢沟桥，已经成为国人心心相系的一座桥。
重庆，大街小巷上响起了报童的叫卖声：“号外，号外！七月七日‘卢沟桥事变’，日军借口演习中一名军士失踪，侵入宛平县城，我卢沟桥守军当即奋起抗战！”
号外消息在已僵持两天的川军整军会议上，形成了强烈的冲击波。参会的川军将领们本来各打自己的小算盘，此时却同仇敌忾，捶了桌子：“我们愿率所部，参加对日作战！”
卢沟桥，七月七日，无数中国人开始在心中默念。这个民族，刚刚经历了最长的一天，并将永远把这一天铭记于心。
1937年7月8日，“七七事变”第二天，新华社播发《中国共产党为日军进攻卢沟桥通电》：
全中国的同胞们！平津危急！华北危急！中华民族危急！只有全民族实行抗战，才是我们的出路！我们要求立刻给进攻的日军以坚决的反攻，并立刻准备应付新的大事变。全国上下应该立刻放弃任何与日寇和平苟安的希望与估计。
全中国同胞们！我们应该赞扬与拥护冯治安部的英勇抗战！我们应该赞扬与拥护华北当局与国土共存亡的宣言！我们要求宋哲元将军立刻动员全部廿九军，开赴前线应战！我们要求南京中央政府立刻切实援助廿九军，并立即开放全国民众爱国运动，发扬抗战的民气，立即动员全国海陆空军，准备应战，立即肃清潜藏在中国境内的汉奸卖国贼分子，及一切日寇侦探，巩固后方。我们要求全国人民，用全力援助神圣的抗日自卫战争！我们的口号是：
武装保卫平津，保卫华北！不让日本帝国主义占领中国寸土！为保卫国土流最后一滴血！
全中国同胞、政府与军队，团结起来，筑成民族统一战线的坚固长城，抵抗日寇的侵略！
国共两党亲密合作抵抗日寇的新进攻！驱逐日寇出中国！
这一通电向全国民众表明了中国共产党抗战到底的决心，吹响了全民族抗战的号角。