日军攻占南口和张家口以后，集结在北平、天津的日军立即沿平汉路、津浦路（天津到南京浦口）南下，意图截断华中、华东两条南北大动脉，进而占领华北全境。
沿津浦路南下的日军击溃沿途国民党军队，1937年9月13日，前锋压迫到沧州外围阵地姚官屯。
姚官屯位是沧州北部的外围阵地，津浦铁路和京杭大运河从屯内通过。守卫姚官屯的庞炳勋第40军第39师和刘多荃第49军与日军激战7天7页，击毙大量日军，大大迟滞了日军的进攻。
庞炳勋第40军来自西北军，战斗力强，尤其善于防守，但装备差，火炮等重武器很少，其第39师辖两个旅共1万人左右。第49军由东北军改编而来，装备好，各种重武器较多，几乎与日军部队相当，但战斗力不如西北军。
两支军队于日军到达前的一个月即8月中旬进入姚官屯一带，以姚官屯车站为中心，构筑了复杂的野战工事。两军以运河为界，运河以西由第49军防守，运河以东由第39师防守。
第39师以姚官屯车站为中心，向东、西分别延伸到马落坡和大运河东岸，构筑了一道6公里长的防御阵地。阵地实行纵深配置，依地形构筑了12个机枪掩体，阵地前架设了3道屋顶形的铁丝网。
当时正是夏秋之交的雨季，精于阵地构筑的第39师在阵地前挖掘了一道排水的外壕，以排泄阵地积水，防止阵地蓄水浸泡战壕和士兵。
第39师将主阵地设在左翼，即姚官屯至运河东岸，以师主力第115旅和补充团守卫，姚官屯至马落坡的右翼以第117旅第234团守卫。
9月21日，日军经过整理后，开始向姚官屯守军实行炮火准备。日军事前已经侦察清楚第39师阵地构筑得非常好，所以进攻第一天并没出动太多步兵，而是以航空兵对守军阵地反复轰炸扫射，将守军前沿工事和表面工事几乎全部摧毁。稍后集中100余门火炮向守军阵地不断炮击，短短一个小时，姚官屯东面的姜庄子阵地就落弹4000发以上，防御工事全被摧毁。
日军炮击时，工兵趁机出动，越过外壕，破坏守军前沿的3道铁丝网。由于第39师炮兵非常少，日军炮击时根本无力反抗，步兵被日军飞机和火炮压得抬不起头来，以致日军工兵破坏铁丝网时，无法对其压制。
日军经过炮火准备和工兵作业，将守军前沿阵地和障碍物全部破坏，主阵地的表面工事也全被摧毁。但来自西北的第39师也非等闲之辈，主阵地的骨架工事构筑得非常隐秘、坚固，即使有破坏也很快修复，尤其是12个机枪掩体，仍然保存完好。这些保存下来的工事在后来的战争中让日军尝到了苦头。
9月23日，日军减弱了进攻规模，只以少量航空兵轰炸，伴随着小规模的炮击，前线出现了暂时的沉寂。久经战场的军人都知道，这是进攻的前兆，日军正在调整部署。守军立即整修工事，囤积弹药。
9月24日，日军果然发动了大规模进攻。
当日拂晓，日军以航空兵、炮兵掩护步兵，向第39师阵地发动全线进攻。其中以一个联队约3000 余人佯攻守军右翼的姜庄子、落马坡阵地，以主力 1万余人猛攻守军左翼的姚官屯到京杭大运河东岸一线。守军立即奋起反击，以低劣的装备与优势的日军殊死搏斗。
守军虽然人数、装备都不占优势，但事先构筑的工事发挥了重大作用，尤其是12个机枪掩体，不断吐出长长的火舌舔向日军。由于构筑隐秘，日军一直无法摧毁。
当时正值夏秋之交，连降大雨，道路泥泞不堪，日军坦克、装甲车无法大规模出动，只能开出少量的中、小型坦克。守军虽然没有专门破坏坦克的重武器，但派出的敢死队把日军的坦克全部炸毁。
失去了坦克掩护的日军步兵成片成片被打倒，倒下的日军士兵尸体被黏稠的泥浆裹挟着，就像放干了水塘中的草鱼一样，混在泥浆中一条一条横陈着。
日军的疯狂进攻持续了3天3夜，但却没能前进一步。
守军虽然守住了阵地，但付出了沉重代价，第39师因伤亡惨重急需休整，9月27日下午，奉命将左翼主阵地交付第49军，除右翼的第234团外，其它部队全部撤离阵地休整。
第49军刚进入阵地，日军就发起了突然进攻，激战2小时，姚官屯左翼阵地被突破。已经撤到后方的第39师立即驰援前线，一举击溃侵入阵地之敌，稳住了阵地。
28日零时，日军倾全力发动夜间攻势，企图利用夜间一举打垮守军，双方在夜间陷入混战。
凌晨，一股日军从第39师右翼第234团与右边第29军接合部插入，抢占了1座砖窑，并立即改装成重机枪阵地，直接威胁第234团最右边的第1营。该营为消灭日军重机枪阵地，派出第3连向日军重机枪阵地进攻。战斗中，第3连伤亡不断，1小时内换了3个连长，排级干部也先后负伤或阵亡，最后只剩下一个班长指挥全连战斗。
当第39师右翼被日军插入时，左翼的第49军阵地也被日军突破。
突破第49军阵地后的日军集中1000 余人的步兵和炮兵，从姚官屯车站以南猛扑守军右翼。
日军发现了左、右两翼指挥所之间的电话线，于是沿着电话线悄悄摸向右翼阵地设在张辛庄的指挥所，张辛庄除了第234团指挥所外，还有师属炮兵阵地。
凌晨4时，日军已经接近到张辛庄以西2公里处，正好第234团通讯连士兵查线到此，立即鸣枪报警。
第234团指挥所闻讯后，立即由副团长贾步青率第2营第5连（连长宋振坤）跑步迎击日军。两军在炮兵阵地以西1公里处遭遇，随即短兵相接，展开了肉搏战。仅10余分钟，贾步青和第5连士兵全部阵亡。日军立即向东席卷，意欲掩杀第234团团部和师属炮兵阵地。
就在贾步青与敌战斗的10多分钟内，第234团团长孙敬祖集中第2营（第5连已全部牺牲）以及指挥所周围所有战斗人员到村西投入战斗。
张辛庄是右翼阵地指挥所和师属炮兵阵地所在，如果丢失，整个右翼阵地都将瓦解。因此，两军一接战就非常激烈，双方都希望一举打垮对方。
守军师属山炮连的4门山炮直接向冲锋的日军轰击，猛冲的日军士兵被纷纷炸倒，但进攻一直没有停止，日军打垮守军的决心丝毫没有动摇。战斗中，守军士兵也不断负伤或阵亡。
拂晓，守军已经呈现不支状态。日军组织一个小队（相当于中国的排）的敢死队，举起军旗直接冲向守军炮兵阵地，后续部队随后跟进，炮兵也持续不断的向守军开炮。
此时，守军剩余人员已不足400人，无法抵挡日军进攻，被迫撤出阵地，转移到张辛庄和落马坡之间，继续阻击张辛庄日军，掩护右翼阵地后方安全。日军随即占领张辛庄
到早上7时，左翼第49军已经击退突入日军恢复原阵地，补充团赶到张辛庄，将张辛庄之敌包围起来，准备围歼。战场形势暂时趋于缓和。
补充团包围张辛庄之敌后，立即对被围日军展开了反击。反击部队于上午10时突入村内，毙敌80余人，但随即遭到日军火力逆袭，被迫撤出村子，与日军对峙。
28日当天，日军再次对姚官屯发起猛攻。运河东、西两岸整日硝烟弥漫，炮声震耳欲聋，两军混在一起反复激烈冲杀，战线犬牙交互，分不出前线、后方。第39师、第49军两支部队与日军奋勇拼杀，到傍晚，日军未能取得有效突破。
此时，中国军队在沧州以北的防御态势已经被打乱，除姚官屯外，其它部队都已溃散。沧州防御已经失去实际意义，为避免无谓的消耗，负责津浦路作战的冯玉祥下令沧州周围部队撤退。
黄昏时分，第39师先向当面日军发起佯攻，然后以补充团掩护，逐次撤出阵地，转移到后方休整。
姚官屯一战，西北军第39师打得令日军胆寒，日军一指挥官小林大尉在日记本里记述“圣战以来首遇劲敌”。中国军队也伤亡惨重，光第39师减员就达5000余人，占了一半。