1937年7月7日，日军进攻北平西南郊的卢沟桥，日本帝国主义蓄谋已久的全面侵华战争爆发了。
冀察当局遵照南京政府“不到最后关头决不轻意牺牲”的原则，事变前一直奉行“但有一线希望，总以弭患为是”的方针。事变发生时，冀察政务委员会委员长宋哲元不在北平，他电示张自忠等：“必须镇定处之，相机应付，以挽危局。”他还说：“日本不会对中国发动全面战争。这样的事件以前不是已经发生多次了吗？只要我们肯作一些让步，局部解决还是可能的。”
此时，日方也诡称：这是“地方事件”，可以进行和平谈判。
张自忠秉承宋哲元的意见，同日方谈判。宋回到北平后，也参加了谈判。宋认为，谈得很好，和平解决不成问题。他下令北平拆除路障和防御工事，将关闭了几天的城门都打开。20日，宋哲元发表谈话：“此次卢沟桥事件之发生，决非中日两大民族之所愿，盖可断言。哲元对于此事之处理，求合法合理之解决，清大家勿信谣言，勿受挑拨，国家大事，只有静听国家解决。”
在前线的第二十九军一些将领，曾想乘日本大部队尚未开到之时，夜袭丰台敌军。张自忠却说：“你们要大打，是愚蠢的。现在要紧的不是打，而是和平解决。”他向部队发布“只许抵抗，不许出击”的命令，致使我军丧失了一次主动歼敌的好机会。
殊不知，日本“和平谈判”完全是缓兵之计。当他大军运到，便撕毁协议，扩大战火。到25日，日本在平、津一带的兵力，已从1万多人增加到5万人以上，而且还在不断增兵。
直到这时，宋哲元才认识到“大战势所难免”，“决心固守北平，誓与城共存亡”。张自忠也命令驻守北平和天津附近的第三十八师官兵，坚决打击来犯之敌。蒋介石下令给第二十九军补充300万发子弹，各兵站仓库向平津推移。这些都表明中央政府和冀察当局对抗战的态度，有了很大变化。但为时已晚，大局无法扭转。
日本作好全局进攻准备后，27日向平津地区发动大规模进攻，北平已成一座孤岛。28日，日军向北平南郊南苑的我军夹击，同时数十架飞机低空轮番轰炸。我军前赴后继，英勇抗击，突围时，二十九军副军长佟麟阁、师长赵登禹为国捐躯，南苑失守。
该日下午，宋哲元决定，第二十九军于当日夜从北平撤往保定，但仍幻想与日本谈判，以保住第二十九军的地盘。他说：为了全局，保存实力，全军必须立即撤退。但要留下得力人员与日本人周旋，以缓和局势。宋想把这项艰巨任务交给张自忠。他对张说：“我今晚就走，明天你就和日本人接触，好维持局面。谈得好的话，第二十九军兴许还能返回平津。谈不成也不要紧，只要能拖延几天时间就行。”
对这项有很大政治风险又十分棘手的任务，张自忠颇为踌躇。因为卢沟桥事变后，社会上就有“三十七师（冯治安师）打，三十八师（张自忠师）看的议论。部队对张一再与日本谈判，不让我军主动出击歼敌的做法有不满情绪。如张再留下来与日本人周旋，真是跳进黄河也洗不清了。但在宋哲元一再要求下，张自忠表示：“既然委员长这样决定，军人以服从为天职，只要于我军及国家民族有利，虽赴汤蹈火，在所不辞！不过，委曲求全，关系个人名誉，恐不能为国人所谅解，事后应请委员长代为剖白。”宋答应了张的请求，即写下手谕，委任张自忠代理冀察政务委员会委员长、冀察绥靖公署主任、北平市市长等职，全权处理北平事务。当晚，宋哲元率第二十九军撤离北平。
事情决定后，张自忠身边只留下副官、勤务、炊事员，其它人员都到作战部队。他还给第三十八师的主要将领写信，要他们服从指挥，团结抗战。
为了与日本人接触、交涉，张自忠将一些亲日派甚至汉奸拉进冀察政务委员会。这样一来，人们对他的误解更加深了。许多报刊对张痛加辱骂，将他与中国历史上的汉奸张邦昌、吴三桂相比。有的报纸的大标题是：《张自忠接见松井后，北平城门大开》。南京政府派驻北平的官员也向南京报告：张自忠“有参加日军行动之说”；“自忠、燮元、允荣、毓桂、张璧、仲孚、觉生（后6人均是亲日派或汉奸）将主要政，汉奸全获胜利”。此时，张自忠已成众矢之的，蒙受了不白之冤。后来，宋哲元虽然作了很多解释，为张剖白，主动承担了责任，但舆论界对他的误解和批评，却一直没有完全消除。这件事给张自忠造成精神上的痛苦，是可想而知的。后来，他多次谈及此事。
张自忠的苦心安排，未起到任何作用。日本人不承认张的冀察政务委员会，更不与他谈判。日本人网罗了一批汉奸、亲日派拼凑了一个“北平治安维持会”，作为他的傀儡。
张自忠此时才感到处境危险，要想办法立即离开北平。8月1日晚10时，张率留在北平的部队3000多人突围，自己与精干的手枪队在后边掩护。突围时，遭敌人阻击，我军伤亡很大，有1000多人未能冲出。张见前面部队受阻，自己未再强行跟进。此后，张又有几次冒险出城，均未成功。
此时北平已完全沦陷，张自忠身陷敌区，无异在虎口之中，要千方百计脱离险境。张先秘密住进东交民巷使馆区的一家德国医院。但医院来往人多，很不安全。过了几日，他化装成学者，隐藏在一位美国朋友家里。这时，侵略者的战火日益蔓延，张自忠急切地要到抗日前线去。经过随身副官的奔走，联系，在一位美国商人的帮助下，张自忠化装成工人，于9月3日凌晨4时许，在天色朦胧中，潜离北平，到达天津英租界内一位友人家。
第二天深夜，张自忠回到法租界内自己家中。他在夫人房中只呆了很短时间，然后向家人简单嘱咐勤俭生活、教育儿女的话，就怀着沉重的心情与家人告别了。此时，他预感到这是与家人的永别。因为他已下定决心，重返沙场，誓死报国。也惟有如此，才能洗雪自己的不白之冤。
10日拂晓，张自忠在英国友人帮助下，乘英国驳轮到塘沽，换乘英商船南下，他终于跳出了日本人的魔掌。张自忠到济南后，第三十八师请他回部队，率所部抗战。张坚持要去南京，他说：“纵使国人不谅，中枢也可能将我置之典刑，我还是要去的！在这样的时候我们还能为自己个人打算吗？若这样，我早就会不让国人怀疑我了。”这位正直的军人再一次显露了自己的坦荡胸怀。
张自忠到南京后，蒋介石予以慰勉，鉴于舆论的激愤，给予撤职查办处分。1个月后，任命张为军政部中将部附。后在冯玉祥、李宗仁、程潜等高级将领一再要求下，蒋介石终于批准张自忠暂代第五十九军军长，“戴罪图功”。（8月中旬，第二十九军扩编为第一集团军，宋哲元任总司令，张自忠的第三十八师改编为第五十九军。）
张自忠对这项任命，惊喜万分，感激涕零。他郑重而深情地说：“蒙各位成全，恩同再造。我张某有生之日，当以热血生命报答国家，报答长官，报答知遇！”
此言出于至诚。后来，张自忠以实际行动实践了自己的诺言。