平汉铁路北起北平，南至汉口，是贯通华北、华中的大动脉。其北段的涿县(1913年涿州改涿县，习惯上仍称涿州)、保定，是河北的战略要地。当日军第5师团和察哈尔派遣兵团在平绥铁路东段展开进攻的时候，华北方面军也在积极准备向平汉路涿县、保定地区发动进攻。其第1军的第20、第6、第14师团于8月下旬在北平地区集结后向南推进，先后占领了良乡、黄村以南的庞各庄、榆垡地区。当日军占领了平绥路东段地区、解除了西北侧后的中国军队对其主要作战方向的威胁后，日方面军司令部于9月4日制定了《会战指导方略》。其主要内容为：
(一) 以消灭保定至沧州一线附近的中国军队为目的。为此，将会战的重点放在河北省中部的平汉铁路沿线，决战的时间为10月上旬。
(二) 第1军在第14师团到达后，迅速从东南方向攻击近处中国军队的主力，并予以歼灭。
(三) 在第1军歼灭中国军队先头兵团时，华北方面军的主力应尽速进入易州(今易县)、定兴、白沟河镇(今白沟)、霸县、马厂附近一线，准备尔后向保定、沧州攻击。
(四) 第1军要以急袭的方式突破中国军队阵地，并以一部绕到中国军队阵地后方的交通要点，截断其退路；第1军主力在东面压制中国军队，并与第2军会合，在正定至沧州一线以北地区围歼中国军队主力。
(五) 第2军在第16师团到达后进入马厂附近，准备攻击保定附近的中国军队。
(六) 第5师团主力应从山西方面迅速到达河北蔚县及涞源附近，切断望都以南的平汉铁路线，同时开辟通向平汉路方面的补给线。
(七) 航空兵团配合第1军作战，侦察中国部队的主力，搜索中国军队在保定、沧州附近的行动。
日军第1军遵照方面军的作战计划，于9月11日下达了攻击命令。要旨是：(一)第20师团(配属独立机关枪第4大队、战车第1大队、野战重炮兵第3联队、野战高射炮2队)应于15日日落后开始行动，攻击当面之敌，在涿州北面地区消灭中国军队后迅速进入易州南面地区。(二)第14师团(包括战车第2大队、野战重炮兵第6联队、迫击炮第5大队等，缺步兵第50联队)应于14日日落后开始行动，进入涿州南面地区，切断第20师团正面中国军队的退路。(三)第6师团(包括独立轻装甲车第6中队、独立机关枪第9大队、野战重炮兵第2联队、迫击炮第3大队等，缺牛岛支队)应于14日日落后开始行动，攻击当面的中国军队，在固安南面地区将其消灭后进入定兴附近地区。(四)军预备队(步兵第50联队)位于良乡。
向涿县、保定地区进攻的日军主力第1军的右翼保障部队第5师团于9月11日到达蔚县地区；左翼保障部队的第2军第10师团也于11日占领了津浦铁路线上的马厂和青县，并以一部兵力于13日进驻青县以南的兴济镇。这样，在第1军向涿县、保定进攻之前，已像两只钳子伸向保定平原的两侧。而第1军3个师团在北平以南、永定河以北地区已集结休整了近1个月的时间。
中国军事委员会在平、津失陷后已调整了华北地区的军队部署，8月12日又划分河北省地区部队的防守地境，并令军、政部门赶筑防御阵地。
8月20日，成立第一战区司令长官部，由蒋介石兼任司令长官，统一指挥平汉、津浦两线作战。
军事委员会判断日军使用兵力于津浦线的可能性不大，认为当时南口作战正在进行，日军如得胜，可能以主力指向晋北，直逼太原，期自侧翼取得战略优势而不在正面进攻，日军如果在南口作战不利，则很可能沿第一战区正面进攻，而置主力于平汉线上。故为击破日军的前进，应以平汉、津浦两铁路线为纵轴，以防守部队沿两线作纵深、疏散、据点式、多层次配备，以机动部队置于侧翼，相机协力防守部队包围、歼灭进攻日军。第一线各部队应组织游击部队越过永定河，深入平汉线以东地区；组织民众破坏交通，以牵制敌军行动。并以强有力的机动部队侧击南口、万全方面的日军，以协助该方面守军。
军事委员会据以上方针，部署了第1、第2集团军在右、左两地区的防御任务。此后保定行营结合当面情况的实际变化，拟定战区北面(正面)作战的计划。其中有关平汉路作战的要点为：
(一) 指导计划
本战区北(正)面，为阻止日军南下，并摧毁其攻击企图，应以必要兵力，坚强配置于津浦、平汉各阵地线，进行坚强之抵抗，以有力的机动部队，控制于易县以北山地，准备以后之攻击。
(二) 指导要领
1． 各在其地区内，就现有城寨、村镇构筑据点，以必要之兵力守备；另以有力机动部队，控置于易县以北山地，相机攻击敌军之侧背。
2． 无论敌动向如何，须不断施行攻击，并力求多迂回敌之侧背。
3． 各级部队长应控制有力之预备队，相机施行大规模之逆袭。
4． 各部队应固守城寨及据点，非有命令不得后退。
5． 骑兵担任前方警戒，主力控置于适宜地点，依战况袭击敌人之侧背。
(三) 兵团部署
1． 右地区(从略)。
2． 左地区指挥官：第2集团军总司令刘峙，辖第1军团、骑兵第10师、步兵第47师、第3军、第52军各部队。任务是：第1军团附骑兵第10师，在固安(不含)、琉璃河、房山、黑龙关之线，确实占领阵地，并以便衣队扰敌之侧背；步兵第47师在涿县附近，准备支援第1军团战斗；第3军在高碑店、涞水、易县一带地区构筑阵地，并准备尔后之作战；第52军在新安镇（今安新）、漕河头、满城、保定一带地区构筑工事，并准备尔后之作战。
上述计划下达后，各部队分别调整部署。
8月25日，日军攻占南口地区，各部队当面的敌情发生了变化，军事委员会所拟第一战区作战计划未能实施，战区的注意力转向晋北。为支援晋北、平汉线方面作战，空军一部于9月14日编组北正面支队。以原第6大队大队长陈栖霞任支队司令，下辖空军第7大队及第27、第28中队，司令部设于太原。洛阳、西安、南阳、绥德为基地，太原、太谷、临汾、汾阳、长治为前进机场，归由第二战区指挥。
第2集团军总司令刘峙于9月9日拟定了准备北进反攻北平的作战计划，但因第68军刘汝明所部自蔚县南撤，涞源告急，徐永昌指令第3军第12师的3个团开赴涞源、紫荆关防守，又得知日军将发起向保定方面的进攻，因此北进方案未能实施。该集团军随即作出以下防御作战部署：
(一) 第26路军守房山、歇歇岗亘其西北高地一带，及周口店、长沟峪、鞍子山、黑龙关一带阵地，不准放弃。
(二) 第47师在涿县、马官屯、长沟镇一带构筑工事。
(三) 第3军除派一部向涞源应援外，大部仍在定兴一带构筑工事。
(四) 骑兵第10师全部推进至柳河营、河西务附近，并警戒西杨村(不含)、长安城、马头镇一带。
(五) 骑兵第14旅仍协同第3军在新城附近构筑工事。
(六) 第52军仍在安新、漕河头、保定、满城一带构筑工事。
二、 涿县、保定地区作战
(一) 作 战 经 过
9月14日，日军第1军的3个师团齐头并进，向涿县、保定地区发起进攻。
日军第14师团在发起进攻之前派出7个侦察组，在9月13日夜间潜入守军阵地侦察，发现阵地上兵力很少，并有撤退征候。14日，第14师团长决定不等到日落，而提前于上午9时开始攻击前进。11时，该师团突过永定河线，并继续向前攻击。第6师团亦于同日14时45分开始渡河攻击。守军第91师的东、西杨村阵地被日军的飞机、大炮击毁，该师第540团遭受严重伤亡。东西魏村、朱各庄、杨各庄等地被日军占领。下午3时，第91师的援军在北相、谷庄一带与进攻的日军激战。在河西务至望海楼附近进攻的日军被守军第47师击退。骑兵第10师在长安城、大朱各庄、北村等地也与进攻的日军展开激战。
在日军大举攻击的情况下，第2集团军命第26路军除巩固原阵地外，以第31师主力(一部固守涿县)会合第47师从涿县东进，在望海楼和东、西苇坨之线越过大清河迎击当面日军。第3军(附骑兵第14旅)除以一部防守紫荆关、涞源及守备高碑店外，另一部迅即从定兴、高碑店东进，经东、西双铺附近渡过大清河，包围攻击西进的日军左侧背。
日军第14师团于15日拂晓进到拒马河沿岸，16时开始西渡拒马河，当日夜间全部渡河完毕，尔后立即向松村店方面追击。第6师团在牛坨镇地区通过难以通行的低洼潮湿地带，17日傍晚进到辛桥附近的拒马河左岸地区。第20师团于15日11时40分开始攻击房山以北第26路军的阵地。战至16日，日军攻占了房山南面的阵地。17日，日军进入涿县西面地区。
第2集团军根据蒋介石电话指示，令第47师协同第31师第1团驱逐进占南良沟的日军，并以一部兵力守涿县与松村店之间阵地；令骑兵第10师在涿县东北地区搜索；令第3军迅速派兵一部由大清河与平汉线中间地区向柳河营、酱各庄方向前进，迎击当面日军。
这时，日本“华北方面军”命令第1军一举攻占保定。17日，第1军以第14师团向石板山附近、第6师团向满城北面的大册河北岸各派出先遣队，并命令在千军台的牛岛支队主力到高碑店附近，作为军的预备队。18日21时，“华北方面军”又命令第1军突破保定附近守军阵地后向正定追击；第2军的第10师团向德州进攻；其余部队向正定方向追击，切断平汉线上中国军队的退路；第5师团主力迅速经涞源进入保定方面。第1军司令官于18日令第20师团进入方顺桥附近；第14师团突破满城附近守军阵地后进入保定以西地区；第6师团沿平汉铁路进攻，消灭保定附近守军后向石家庄追击。
截至9月18日，中国第2集团军所属第47师、新44旅、第30师、第31师已被日军击溃，失掉了战斗力。第27师集结于涞水东北的新庄、魏村、横歧村一带。第3军第7师在新城东北与日军对峙。该军第12师的3个团转移至高碑店附近。集团军即令第3军在大清河右岸从大、小柴营起至陈各庄之线拒敌前进。第26路军自高碑店北、陈各庄至娄村镇一线拒敌。但这一命令实际上等于一张废纸。这时中、日两军已形成混战，而卫立煌指挥的第14集团军也从张圹镇南撤。这样，守军迅速趋于溃退。第2集团军急令第52军所属3个师加强安新、漕河、满城一线的防御。日关东军飞行第16联队的15架战斗机掩护第12联队8架重轰炸机于9月21日轰炸太原时，中国空军第28中队长陈其光率7架驱逐机迎击，将日本陆军视为“军宝”、号称“空战大王”的第16联队第1大队长三轮宽少佐所驾95式战斗机击伤，迫降于太原附近大盂的农田中，三轮宽被当地农民击毙。
21日夜，日军第14师团突破守军满城北面阵地，于22日黄昏时追击到保定西南地区。第6师团于22日下午3时半突破漕河西的守军阵地，23日上午10时进到保定外围。第20师团也向保定展开追击。
22日晚，蒋介石电令第2集团军固守保定、满城各据点。集团军即令第52军务须固守保定、安新两城及其附近地区，第3军务须固守满城及其西北一带高地，第47师及河南省保安第3团归第52军关麟徵军长指挥，第3军应协力反攻当面日军，第27师位于完县北方各高地，掩护军主力侧背并策应满城方面作战。
第52军以第2师、第47师各1个旅，第17师补充团，第169师第4团担任保定城防，第17师主力在保定以东沿阜河关、仙人桥占领阵地，第47师的另1个旅在保定城以西经赵家庄、五家、埋店、高昌村、小汲村之线占领阵地，第25师(仅4个营)及第17师的1个团为军预备队。
9月23日，日军开始向保定及其两侧地区发起攻击。第20师团一部在当日进至保定南面的方顺桥附近，第14师团进入保定西南地区切断了保定守军的后路。第6师团对保定城垣攻击，但因炮兵未及时赶到，攻击未得逞。
24日拂晓，日军第6师团对保定城发动攻击。先以炮兵实施了1小时轰击，在城墙上打开了2个突破口；上午8时，步兵第11旅团开始突击，11时40分占领了城墙一角。这时，刘峙为增强第52军守城决心，电告关麟徵：“奉委座电令：郑、赵、裴各部须固守保定，无令不准撤退，务望排除万难，勉力撑持为要。”可是第52军各师在强敌攻击下纷纷自动后撤，保定遂于24日失守。第3军则根本未遵守固守满城及其西北高地的命令而自动后撤。
9月23日晚，保定行营参谋长林蔚遵照蒋介石意旨，对第2集团军各部作了逐次撤退的部署。但当时各部撤退混乱，在日军飞机大肆轰炸下，部队仓皇失措，交通阻隔，互不联系。到9月25日，各军纷纷南渡滹沱河，退至石家庄附近。
这时蒋介石令参谋总长程潜兼代第一战区司令长官职务，刘峙升任第一战区副司令长官。保定行营及第2集团军总司令部撤销，并以第32军、第17师、第47师、独立第46旅编成第20集团军，以商震为集团军总司令，拟在正定附近滹沱河畔与日军作战。25日，程潜在获鹿同刘峙会商了今后的作战计划。
日军第1军司令官于23日决定以一部兵力迅速向南追击，主力在保定附近集结休整后向石家庄追击。23日，第20师团步兵第80联队第3大队占领望都。25日，日军主力从保定地区出发，27日到达新乐，然后在此暂停休整，准备向石家庄进攻。
(二) 作 战 简 析
涿县、保定地区的作战时间仅10余日，即以日军的胜利、中国军队的溃败而结束。
日军“华北方面军”在向华北内地进攻中，将平汉线作为主要突击方向，企图在保定地区消灭中国军队在华北地区的主力。为达此目的，首先在平绥路东段地区作战，同时以第2军第10师团进到津浦线的马厂与青县地区，保障了方面军主力第1军向涿县、保定地区进攻的翼侧安全。在第1军3个师团集中完毕、两翼保障部队进展顺利的条件下，方面军提前1个月命令第1军发动进攻。第1军在进攻时以全军3个师团集中向涿县、保定方向突击，迅速击败中国守军，接着包围保定，迫使守军溃败。这都反映了日军在战役指挥方面的长处。
中国第一战区第2集团军虽在平、津失陷后即在平汉线北段进行了防御准备，在作战中，有的部队作了英勇抵抗，但仍然迅速失败，其原因有以下几个方面：
1． 战区形同虚设，各集团军各自为战。平汉、津浦两线未能及时组织第1、第2集团军的协同动作，如津浦线守军首先失利，第2集团军未能及时派出兵力侧击和袭击日军后方及侧翼。反之，日军利用沿津浦线的发展，派出兵力侧击涿县、深县守军，对我平汉线北段作战产生极不利的影响。加以两集团军通信条件极差，情况不能及时交换，互不了解，形成各集团军各自为战局面。所以如此，是因为在战争初期蒋介石虽自兼第一战区司令长官，但未组成长官部，因而徒有虚名，不能密切掌握平汉、津浦两集团军的协同动作，致使敌军深入，对自己的翼侧毫无顾虑，平汉线守军的侧翼反而受到日军更大的威胁，守军的每道防线均不能作较长期防守。
2． 指挥官怯懦，未战先逃，影响士气。负责平汉线方面的最高指挥官第2集团军总司令刘峙懦弱无比，保定作战时未战先逃，对战事影响很大。国民政府监察院张华澜等人在1937年10月26日弹劾，指出：“豫皖绥靖主任(原职)刘峙惧怯畏死，未经激战，遂下令总撤退，一溃至石家庄，致使全冀皆失，而豫晋两省，交受其祸……旬日之间，败退达千里。自古至今，丧师失地未有如是之速者矣。”由于刘峙未战先逃，军心士气大受影响，致使形成溃退局面。
3． 虽有计划、准备，但因部队调动频繁而不能实施。平汉线虽事先拟有防御计划，也划分了三线阵地，预先构筑了半永久和野战工事，如防守得力，攻、防并用，可以逐线抗击，消灭入侵日军，达到迟滞、消耗敌人的目的。但作战上只争取正面防御，后方机动兵力过少，以致出现徒有阵地、无兵防守的局面，或出现正面过宽、防守力弱的形势。
平汉路方面只有孙连仲所部在永、固、房、涿及其附近地区依托既设阵地和日军进行了激战。其后，关麟徵在保定附近率第52军及第169、第47两师作了短暂的坚决抵抗，敌我伤亡均重。日本《战史丛书》、《中国事变陆军作战》称涿州、保定会战为双方在平汉线上的第一次会战，战况激烈，日本参战兵力为88500人，战死1448人，重伤4000人。
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