民政府任命张学良为东北边防军司令官。
2月17日，宋子文等还与张学良至热河视察部队。宋子文先后在北平和承德发表演讲，说：“热河为中国完整之一部，与苏、粤各省无异，热河被攻，即同于南京被攻。如日军来攻，则将举全国之力量以与其周旋。日本已占我东北，但任何进一步之进攻，即将予以抵抗”；“吾人决不放弃东北，吾人决不放弃热河，纵令敌方占领我首都，亦决无人肯作城下之盟。”
张学良与何应钦等研究了当前局势后，由北平军分会制定了保卫热河的计划。其作战方针是：“华北军以捍卫疆土、收复失地之目的，务需确保冀、热，巩固平津，以为将来进出辽河流域之根。集中主力于冀、热东部及平津、察南一带，对由河北沿海登陆及自热河方面侵入之敌，预期各个击破之，并乘机东进，向辽西平原转取攻势。”将华北现有驻军编为8个军团和1个预备军团。第1 军团于学忠部防守津塘地区，第2军团商震部防守滦东地区，第3军团宋哲元部防守冀北地区，第7军团傅作义部防守察东地区，第8军团杨杰部和预备军团集结于北平附近（此时杨杰之第17军尚未到达北平）。又将第4军团万福麟部第53军6个师，第5军团汤玉麟部第55军1个师、4个旅，第6军团张作相部第41军3个旅及第63军、挺进军等共约10万人编为两个集团军，直接担任热河省的防守任务。两集团军的作战地域分界线为朝阳、建昌、凌源、平泉至承德的公路。公路以南为第1集团军，张学良自兼总司令；公路以北为第2集团军，张作相任总司令，汤玉麟任副总司令。
2月17日，武藤信义正式下达了进攻热河的作战命令，定于23日按预定计划开始行动。日本政府则使用其惯伎，于23日由驻华使馆向中国政府外交部提交备忘录，要求中国军队退出热河省，否则“难保战局不及于华北方面”。中国政府予以拒绝。就在日驻华使馆送交备忘录的同时，日关东军分3路向热河发起了进攻。
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不战而得承德
到达天津的日本军队正通过万国桥
日军主攻方向为第8师团（师团长西义一），下辖步兵第4旅团（旅团长铃木美通）、第16旅团（旅团长川原侃）、骑兵第8联队、炮兵第8联队、工兵第8大队，配属的第1战车队、旅顺重炮兵大队、关东军汽车队及伪奉天省警备军于芷山部的伪独立第1旅李寿山部共约 万人。以第4旅团为先遣部队，于21、22日先期占领了第5军团防守的南岭、北票，掩护其主力展开。
守军第4军团的防线为朱录科（不含）、叶柏寿、大城子、凌南、喇嘛洞、于沟镇、义院口之线，正面约400华里，构筑了线式阵地，工事简陋，后方交通困难，一线突破，全线即有瓦解之虞。该军团的兵力部署为：第130师防守叶柏寿至大城子间阵地，第119师防守大城子至凌南间阵地，第129师控制平泉、三十家子间地域，第108师防守凌南至喇嘛洞间阵地，第116师防守喇嘛洞至义院口间阵地，第106师控制叨尔磴、汤道河间地域，炮兵第11团配置于左翼凌源附近。
日军于2月23日开始进攻，25日占领朝阳。3月1日，日军挺进支队第16旅团乘汽车沿公路南进，下午进至叶柏寿时遭到第130师的阻击。激战至傍晚，守军阵地被突破，第130师和前来应援的第 129师第1团被迫向平泉撤退。3月2日，日军继续攻击前进，于当日ll时攻占凌源，与由绥中西进的混成第14旅团会合后，向平泉进攻。第130师退至平泉与第129师会合后准备重新组织防御，但由于第4军团其他各师已全线动摇，该两师亦随之向喜峰口撤退。3日拂晓日军占领平泉，14时日军一部向承德迫近，19时左右进至承德以东约50公里的三沟，与第5军团守军接触。
第5军团第一线阵地及前线阵地各部队，在中路日军第8师团和北路日军第6师团进攻下一触即溃，在朝阳的团长邵本良和在开鲁地区的骑兵旅长崔兴武先后投敌。其余一部退往赤峰，一部退往承德。3月3日晚，当日军进至承德以东的三沟时，汤玉麟不仅没有组织防御，反而下令赤峰附近所属部队撤向半截塔，自己率承德地区的部队撤向滦平、丰宁地区。汤玉麟本人以200辆汽车装运私产，逃往天津。3月4日11时50分，日军先头分队骑兵第8联队128人不费一枪一弹占领了承德。
占领了赤峰城
张学良与蒋介石在一起
日军由北路进攻的第6师团（师团长坂本政右卫门），下辖步兵第11旅团（旅团长松田国三）、第36旅团（旅团长高田美明）、骑兵第 6联队、野炮兵第6联队，配属骑兵第4旅团（旅团长茂木谦之助）以及伪洮辽警备军张海鹏部、伪暂编第2军程国瑞部共约1万人。步兵兵第36旅团和骑兵第4旅团由通辽经开鲁、巴林向赤峰进攻，以第6师团主力分由彰武、打虎山西进，向赤峰进攻。
守军第6军团是由孙殿英的第4l军和退至热北的东北义勇军各部组成。其兵力部署为：第41军防守赤峰、范胡屯地区，冯占海部防守奈曼旗、下洼地区，刘震东、李忠义两部防守开鲁地区，邰斌山、邓文、檀自新三部防守经棚地区。
日军骑兵第4旅团及张海鹏伪军2个骑兵旅于23日首先向天山、林东、大板、林西方向迂回，经激烈战斗，击退第4l军及东北义勇军的部队后转向南下，于3月1日推进至赤峰以北地区。第6师团其他各部亦于23日开始西进。虽然汤玉麟所部第5军团位于赤峰以东地区的部队一触即溃，但日军遭到冯占海等各部义勇军的抵抗和袭击。只是由于义勇军装备甚差，各部间又缺乏协同，所以难以遏止日军的攻势。日军于24日攻占开鲁，26日攻占下洼。3月1日日军进至赤峰以东哈拉道口地区，受到第41军第117旅的顽强抵抗当夜，守军派出一连精锐兵力，夜袭日第6师团司令部。日军集中参谋及勤务人员仓促抵抗，直至援军到达，夜袭部队方才撤离。3月2日骑兵第4旅团及伪军骑兵旅开始进攻赤峰城。激战至傍晚，守军向围场、隆化转移，日军骑兵第4旅团占领了赤峰城。但日军第6师团部队被阻于哈拉道口、炮营子地区，至3月5日方击退守军第117旅，进入赤峰城。日军占领赤峰后分兵南进、北上，于3月10日攻占了乌丹和围场。中国军队撤至半截塔、丰宁地区，日军撤回赤峰集结待命。
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热河全省沦陷
战壕中的国民党军战士
由南路进攻的日混成第14旅团（旅团长服部兵次郎）下辖步兵第25、第26、第27、第28联队的各1个大队，野炮兵第7联队的1个大队及骑兵第7联队的1个中队；混成第33旅团（中村馨）下辖第 10、第40联队，共约1万人，归第8师团长西义一指挥。混成第14旅团由沈阳乘火车到达绥中后，于2月24日开始西进。
27日推进至纱帽山以东地区，当即向防守该地的第119师和第108师阵地进攻。战斗至28日10时，守军西撤。日军追击，并于3月1日占领了凌南，尔后分为两路：旅团主力向北于3月2日协同第8师团攻占了凌源，一部（2个大队）向南于3月2日突破第116师，阵地占领了喇嘛洞。
旅团主力从凌源南下，经叨尔磴、青龙，于4日占领冷口。占领喇嘛洞的一路，经要路沟向界岭口前进，于5日占领了茶棚。6日，混成第33旅团已从绥中出发，西义一命令在茶棚的2个大队改变任务，向喜峰口方向前进，令混成第33旅向界岭口和义院口进攻。由茶棚转进的混成第14旅团2个大队于9日到达喜峰口外，混成第33旅团分两路于11日到达界岭口和义院口外。至此，日军进攻热河的作战结束，热河全省沦陷。
热河的失守使全国大哗，一致谴责南京国民政府。张学良更被国人攻击得体无完肤。前线溃败，让张学良目瞪口呆，他怎么也想不到，他的东北军竟如此不中用，热河的防务竟如此不堪一击。3月7日，张学良致电南京，引咎辞职。
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张学良下野
张学良与蒋介石在一起
张学良虽然发出引咎辞职电，但这时的他仍想坚守长城一线，拟亲率东北军，反攻热河。然而，这一切显然都是徒劳的。张学良本来是兴冲冲地想再去打日本，哪里知道蒋介石实际上已在准备他下台的后事，因为在蒋介石的妙算里，战必败，那只有牺牲张学良来了局。
3月6日，蒋介石由南昌飞往汉口，再偕宋子文乘专车北上石家庄。何应钦等前往石家庄迎接。蒋介石问何应钦等人，对张学良的请辞有何意见。蒋介石同何应钦等人谈完之后，即电约张学良到保定会晤。
张学良
1930年5月，蒋、冯、阎的中原大战爆发，两派都派人联络张学良，张学良权衡再三，出兵�