但是一直摇摆不定的宋哲元，此时却陷入了对和平的幻想之中。为了制造缓和气氛，宋哲元下令将北平内各要口准备巷战的防御工事、沙包、障碍物等一律拆除，将关闭数日的城门完全开启，下令平汉铁路局试行通车，将二十九军高级将领提交的一份备战计划搁置起来，把向城外增兵的部队开始部分撤退，电请北上增援的孙连仲等停止前进，并将《秦松协定》报请中央核议。
在日军调兵遣将的同时，宋哲元开始把抗日情绪激昂的冯治安师调出北平。20日清晨，宋哲元下令冯治安的三十七师自20日在西苑集结，21日集结完毕，22日撤退。由赵登禹的一三二师接替三十七师的防务。20日上午，宋哲元向北平市民和新闻界做谋求和平解决的书面谈话，并下达安民布告。
一份作为迷惑宋哲元幌子的报告，让宋哲元信以为真。21日，日本派到华北的参谋本部总务长中岛铁藏和陆军省军务课长柴山兼四郎起草了一份报告，认为二十九军首脑对日方的要求业已承认，并开始实行，况且以目前在天津地方的现有增派部队已经足够，看形势没有必要再从国内派遣师团，因此日本政府决定暂缓国内动员。
宋哲元是个“乐观”的人，总喜欢把事情往好的方面去想。7月23日，宋哲元约见了国民政府外交特派员杨开甲、孙丹林，说“卢案和平有七成希望，今后交涉中心端在中日两政府。”和平似乎已经到来，宋哲元对日本人的要求，可谓有求必应。22日，宋哲元开始查禁爱国抗日报纸、书籍、杂志，共计60余种。查封观察报社，逮捕该社长，并严查日本人所提的蓝衣社成员及其他抗日团体。23日，宋哲元增派大批警察，分驻北平各大中学，制止学生对时局做集团表示。
但日军并不像宋哲元想像的那样信守约定。7月22日夜，军事委员会参谋部次长熊斌从保定来到北平，紧急拜访了宋哲元，详细传达了国民政府的抗战意图。熊斌告诉宋哲元，中央马上将补充二十九军子弹300万发，又令驻河南的高炮部队一部调赴保定，归宋哲元指挥。熊斌还特别说，日军机械化部队正在向华北输送，预料一星期内必有大规模行动的情报。
中共中央也密切关注着平津的情况。对于宋哲元的媾和行为，中共中央表示强烈反对，向国民党中央提议不惜撤换宋哲元。7月23日，中共中央通电全国，称“我们决不能对于宋哲元的投降屈辱的‘已成事实’与中日间的所谓‘地方解决’，表示默认与软化”。中共中央要求国民党最高当局“立即命令冀察当局宋哲元拒绝执行日本所提的三条件，率领全部二十九军实行武装抵抗，如宋哲元拒绝执行中央命令，则立刻明令撤销宋哲元现任职务，另派大员领导英勇的二十九军将士及华北各军抗战。”
熊斌提供的情报，引起了宋哲元的警觉，打破了他对“和平”的幻想。从熊斌那里，宋哲元了解到蒋介石这次真的要抗战，因此初步打消了对南京方面的疑虑，也理解了蒋介石一再促其赴保定的用意。宋哲元于是开始由“和”向“战”转变。
7月24日，宋哲元主持召开二十九军高级将领会议，秦德纯、冯治安、张自忠、刘汝明、赵登禹等出席。此时宋哲元召集会议的目的已不是研究对日交涉问题，而是制定作战计划。会议决定，三十七师进攻丰台和通州之敌；三十八师攻击天津海光寺日军。当日，宋哲元还下令三十七师停止撤退，一三二师在永定河南岸集结，并令该师二十七旅增加北平城防。
同一天，宋哲元下令中止与日方的谈判交涉。
宋哲元虽改变态度，决心抗战，但此刻为时已晚。至25日，日军已有第二十师团和独立混成第一、十一旅团及中国驻屯军步兵旅集结于平津地区，兵力由原来的万余人猛增至5万余人，并且仍在源源不断地向平津增兵。二十九军处境被动。
25日，日军借口修理电线时“受中国军队不法射击”，悍然向廊坊驻军发动进攻。26日晨，日军飞机十余架猛烈轰炸廊坊中国兵营，第二十师团也派重兵前往助战。20日，廊坊失守。宋哲元得知廊坊战事，一面报告中央，一面命令坚决抵抗。
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。宋哲元严词拒绝了日方的无理要求。
26日下午，驻天津的日军一个大队，又奉命由铁路输送到北平后，分乘30余辆汽车强行进城，在广安门与中国守军发生冲突，又制造了广安门事件，事态更加恶化。
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。27日上午，日本政府决定第二次增兵华北，令日军精锐第五、第六、第十师团由日本本土向中国平津一带输送。
27日当晚，日军先发制人，南苑、北苑、西苑、通县等地均发生激战。二十九军仓促应战，取得了一些胜利，例如组织南苑保卫战，反击日军对广安门的进攻，痛歼五里店日军，均取得了胜利。另外，通县伪军张庆余、张砚田部举义反正，消灭了通县日伪军。但已做好大战准备的日军，依仗优势装备，像野兽般地猛扑丰台、南苑。丰台失陷，南苑危急。二十九军把军部移到城内，佟麟阁、赵登禹二将军指挥南苑保卫战。1000多名暑期军训团的男女学生，与二十九军并肩战斗。经过顽强抵抗，给敌人以重大杀伤。但在日军大炮、飞机的轰击下伤亡极大，只得且战且退。
宋哲元现在面临两难选择：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，被敌击溃。南苑丢失，二十九军防线被拦腰砍断，危在旦夕。大家一下子惊呆了。
佟、赵二人与宋、张、冯等人都是患难多年的袍泽兄弟，如今战争伊始便战死沙场，怎能不令人痛惜！宋哲元顿足大吼：“断我左臂，此仇不共戴天！”
这时，十余万侵华日军按既定部署分四路向平津展开了全面进攻：第一路，以关东军酒井、铃木两个混成旅团，由热河向北平北侧进攻；第二路，以从朝鲜调来的川岸师团，向北平南侧进攻；第三路，以华北驻屯军河边旅团为基干，向北平东侧进攻；另有从日本调来的第5师团，配合海军向天津进攻。
正好蒋介石发来电令，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。二十九军现在战线过长，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，二十九军主力撤离北平，前往保定。宋哲元离开北平之后，他的心情是十分沉重的。在他看来，好容易搞成了冀察这个局面，才不过一年半多一点的时间，就发生了这么大的变化。他对自己这个“独立王国”，是有着无限留恋的。所以他在7月29日抵达保定当天，就迫不及待地叫秦德纯打长途电话给杨兆庚（杨是冀察政务委员会政务处长，宋给他的任务是留在北平协助张自忠），询问北平的情况。杨兆庚的答复是，北平市面平静，但仍有大批日军源源开进关内，情形并不乐观。不难看出，局势已经发展到那样严重的程度，宋哲元仍然抱着以张自忠为缓冲，寻求所谓和平解决途径，重返北平的幻想。
局势既无挽回的可能，今后怎么办？当然只有抗战之一途，可是宋哲元对抗战又没有信心。他自己心里很清楚，像国防工事的构筑，战略物资的储备，武装力量的部署等等方面，事前都没有做好应付敌人进攻的准备。加以日寇进犯南苑的时候，军队受了不小的损失，还牺牲了佟麟阁、赵登禹两名高级将领。驻察哈尔省的刘汝明部被敌人截断，一时还联络不上。由北平、天津退下来的三十七师和三十八师，以及石友三的保安部队，也很混乱，士气也不像事变开始时那样高涨。在这样情况下，仗怎么能打得好呢？这是他反复思考的又一个问题。
当二十九军在卢沟桥对日寇的进攻实行自卫反击的时候，全国人民以及海外华侨，都一致赞扬和拥护二十九军的英勇抗战。但是自从二十九军放弃平津之后，舆论就完全不同了。各方面对宋哲元的责难是很多的，有的发表在报纸上、有的直接写信或打电报给宋哲元本人。所有这些责难给了他很大的压力。尤其使他担心的是，他主政平津的时候，同蒋介石的关系处得并不好。倘若蒋介石乘机报复，把事变的发生和丢失平津的责任都加在他的头上，以减轻南京政府的咎责，借他谢卸罪于国人，那么这个后果对于宋哲元来说是十分严重而可怕的。
7月30日，为了试探蒋介石对他的态度，宋哲元给蒋介石打了一个电报，大意是说由于自己应付不当，以致爆发了此次事变；又由于事前没有做好应变的准备，以致平津不守，有负重托，表示向中央请罪，给予应得的处分。在这个电报里，宋哲元同时请求以三十七师师长冯治安代理二十九军军长职务，他需要稍事休息。
蒋介石很快回电，不但对于请求处分的问题，避而不谈，而且还有几句安慰的话，并且同意由冯治安暂为代行军长职务，最后还表示希望他早日销假。
不久，宋哲元就又接到了蒋介石一个电报，要他将部队部署妥当后即赴南京一晤。这个电报又引起了宋哲元的惶惑不安，他猜不透蒋介石是什么意思。经过同他的高级幕僚计议之后，决定先派秦德纯赴南京摸摸底，为他入京见蒋做一些准备工作。
在秦德纯摸底之后，宋哲元才于8月下旬到南京见蒋。蒋介石不但当面对宋哲元说了些慰勉的话，而且在一次中央军校纪念周上讲话为宋哲元开脱责任，把他在华北的一切对外措施，都说成是按照“中央”的指示办事，所有一切问题都应该由“中央”负责，也就是说由他蒋介石负责。宋哲元心情一下子好了许多。但这种好心情没有保留多久，韩复榘的被处死，引起了宋哲元的极大恐慌。
事实证明，蒋介石对宋哲元还是信不过，并逐步解除了宋的兵权。1938年3月，宋哲元被调任第一战区副司令长官，失去了直接指挥军队的权力。他怕蒋有一天会找他的麻烦，说不定落得像韩复榘那样的下场。他曾经不止一次地说：“华北的事究竟是谁的责任呢？是不是完全由我们来负这个责任？”宋哲元心事很重，终日郁郁不乐。
在宋哲元的晚年，蒋介石的一封信，称为他医治心病的“止痛药”。原来在1935年冀察政委会成立以后，蒋介石曾经给宋哲元写过一封亲笔信，大意是说冀察的事完全由宋全权处理，一切由中央负责。蒋写此信的用意，无非是表示他对宋的信任和支持，好使宋成为他的忠实工具。在宋哲元晚年失意的时候，就依靠这封信解脱自己。1939年9月宋哲元突患肝病，病情日渐恶化。一直到他病危的时候，还嘱咐他的家属把蒋的这封信编入他的传记。
1940年3月，宋哲元回到其夫人常淑青的故乡四川绵阳疗养。宋哲元在弥留之际，勉励他的老部属“努力奋斗，收复失地”！4月5日，宋哲元终因医治无效溘然长逝，终年54岁。
宋哲元是一个相当复杂的人物，他内心爱国意识和军阀意识同样强烈，常使他陷入激烈的思想斗争中。宋哲元有根深蒂固的军阀割据思想，在平津的所作所为，一半是为日本人所迫，一半仍是希望建立一个独立王国，搞军事割据。蒋介石对他花过大力气拉拢，但宋哲元最终还是不肯投怀送抱。卢沟桥事变以后，宋哲元口口声声要为冯玉祥的西北军留点底子，反映出他内心深处对冯玉祥始终高过蒋介石。当时的形势，蒋介石已经实现统一，顺我者昌，逆我者亡，西北军多少将领与时俱进，投靠蒋介石，宋哲元对冯玉祥的一片忠心令人慨叹。
