然而，桥本的兵力毕竟有限，准备也不充足。在八路军第六八六团李天佑一个营兵力的猛攻之下，老爷庙高地随即失守。而与此同时，第五师团司令部第一时间得到了桥本顺正被困的消息。板垣征四郎立即请华北方面军派战机到乔沟一带助战，同时命令在蔚县的第四十二联队派两个大队乘汽车迅速前往增援。但当此之时，八路军各部已经冲出阵地与日军展开了白刃战。日本陆军航空兵虽然抵达战场却也无从支援。而桥本顺正麾下的辎重兵虽然顽强，但战斗力终究无法与日军一线的战斗兵相提并论，在八路军密集的手榴弹攻势和白刃战中迅速被击溃。而新庄淳中佐所部也始终无法突破杨得志所部的防线，最终在第六八五团和第六八六团的夹击之下全军覆没。

最后的激战爆发在乔沟公路东侧的小寨村处，由于徐海东的第六八七团已经口子牢牢堵住了，因此试图从这个方向突围的日军同样未能逃出生天。而从灵丘方向向平型关激进试图解围的日军陆军第五师团第二十一联队之第三大队也被杨成武所指挥的八路军第一一五师独立团阻击在驿马岭。激战到9月25日下午4时左右，在平型关附近的乔沟公路之上，八路军共歼灭日军千余人，捣毁汽车百余辆、大车200余辆，缴获大批军用物资。

虽然八路军在乔沟公路的伏击战并未伤及日本陆军第五师团的根本但事实却打乱了板垣征四郎的全盘布署。突遭伏击的日本陆军的当务之急当然是先解除侧翼的威胁，因此已经进占团城口的三浦敏事少将所指挥的第二十一旅团等同于陷入了八路军和晋军的合围之中。而八路军在乔沟公路设伏的同时，也向团城口方向发起了进攻，此时的晋军如果能配合行动。重创甚至围歼第二十一旅团并非没有可能。

但担任平型关正面进击任务的晋军预备第二军却一直拖延到9月25日向团城口外出击，郭宗汾的计划制定的相当漂亮：以陈光斗的第二○二旅向六郎城以北机动，带动第十七军左翼第二十一师，向日军侧背压迫，相机迂回到蔡家峪，东河南方面和八路军取联系。同时以军主力经迷回村，越第八十四师阵地，直出团城口攻击敌人。

各部队于25日半夜出发，在一片安静之中行动，但是预备第二军军长郭宗汾和担任集团军指挥官的孙楚竟然对第十七军已经放弃团城口阵地一无所知。只知道平型关敌后方受到八路军的袭击，便催着部队大胆出击。因此当预备第二军呈两路纵队经过涧头、迷回分进活动中，突然受到来自团城口、鹞子涧原来第十七军防线上机关枪和迫击炮火的猛击，立即引起一阵混乱。

郭宗汾起初以为和守军发生误会，但随即证明前方第十七军竟已先行撤退，日军已经占领鹞子涧、团城口并东、西泡池一带的我军一线阵地。一夜混战，预备第二军非但没有出击成功，反被日军阻击于团城口之下。26日拂晓后。日军又全线出击，既占有利地形，又出晋军不意，从北翼从鹞子涧突进。隔断晋军左纵队陈光斗旅。南翼从东泡池也击溃陈新华的新编独立第一旅一部，把预备第二军压迫于迷回、涧头地区。郭宗汾军长同赵晋旅长处于严重危机下，紧急收集所部。于涧头、迷回及北山间就地进行坚定的抵抗。所幸的是，八此刻路军于敌后东河南以西大捷后，又向大、小含水岭上发起进攻，才使得被隔离于六郎城北的陈光斗的第二○二旅暂时稳定，又尚牵制住从鹞子涧突进的日军，使其不能直逼迷回北山形成对预备第二军的全面合围。

而此时阎锡山据灵邱秘密电台情报，证实八路军伏击平型关侧后获得大胜，同时雁门以北迄未发现日军的活动，虽然有孙楚的团城口失守，大营后方濒于危急的报告，但却又觉得平型关外的局势大有可为，这才放弃砂河会战计划，要郭宗汾坚守迷回地区，全力贯彻以大力进击平型关外，歼击板垣师团主力的企图。命令在代县的陈长捷第六十一军立即从代县向平型关进发。又鉴于杨爱源、孙楚对“客军”缺乏笼络统御能力，特命傅作义前往大营，把高桂滋的第十七军和刘茂恩第十五军也置于傅作义的第七集团军序列下，并赋予傅作义以指挥平型关方面的全权。

但此时为时已晚，前线的孙楚所部的各部队早已失去了协调作战的能力，陈长捷第六十一军连夜急进，感到团城口时也已经是9月27日了。板垣征四郎和日本陆军第五师团已经从乔沟公路遭遇伏击的慌乱中恢复过来，在团城口形成了坚固的防御体系。晋军各部反复攻坚，但最终却打成了添油战术徒增伤亡。而八路军方面也因为第五师团加强了对侧翼的保护，而失去了再次出击的机会。因此晋军方面连续猛攻，竟然没有夺回团城口，相反被第二十一旅团不断以反冲锋的形势夺取了多个制高点，令傅作义大感失望。只能向阎锡山请命，调集自己的嫡系部队，将绥东长途跋涉初到雁门以西的第三十五军调往平型关方向，试图一举歼灭日本陆军第五师团。

而傅作义的一句“待第三十五军到来，就可大有作为。”又成为了晋军各部消极等待的最好借口。但是等来的却不仅是第三十五军，还有雁门一线全线溃败的消息，当发现日军板垣师团主力从广灵趋灵邱将进犯平型关时，阎锡山的第二战区作战军便悉数0从雁北退人雁门山南，转向东南，准备从事平型关内或外的会战，但又顾虑雁北方面有平绥铁道交通的便利，便于日军用于增兵，突然进攻。

因此晋军方面将可以本来着眼倚恃雁门山和恒山为战地北面的屏蔽，可以节约守备兵力的兵力，该成部署刘茂恩第十五军于恒山，杨澄源第三十四军于雁门山右，王靖国第十九军于雁门关东西，并拟控置第三十五军于雁门关后以为策应。的一线布置。

这种双方兼顾的平衡布局，事实等于把四个军闲置于主战场平型关的侧翼，形成被大同方向日军所牵制。而所拟决战地带，究在平型关内或推进关外，进退失据。用在主战场上的仅是不完整的孙楚第三十三军、高桂滋第十七军和郭宗汾、陈长捷两预备军，且又是陆续应急投入，处处被动失机。而平型关、团城口鏖战经旬，已经明确在大同和平绥线上之敌只是一部日军和若干伪蒙军，距离战场尚遥隔三百余里。因此闲置在恒山、雁门山上的晋军各部都开始麻痹起来，既对平型关主战场坐而观战，又对广漠的雁北地区，疏于监视警戒，形同于一字排开着等着挨打。

而此刻攻占大同的日军陆军，仍旧只有关东军三个旅团并配属两个伪蒙骑兵师团。这支部队缓慢的向南延展到怀仁县境内，装出指向雁门的姿态便把守备雁门关的王靖国给吓住。而随着板垣师团主力进攻团城口，后方被八路军第—一五师**所部所截击、陷于进退维谷之时。东条英机才突然发起进攻从大同、怀仁转向东南方应县方面急进，在雁门山和恒山接合部的茹越口形成突破。一日夜之间便以骑兵和装甲汽车的突奔，夺占了茹越口，而直上铁角岭。但是与其说东条英机的这一行动是为了援助第五师团，不如说是关东军想给华北方面军好看，更有早入太原者为王的打算。

原来雁门山阵线的防御设计，主阵地便应该在茹越口内附近二十五里的铁角岭和五斗山相犄角又极为峻险的分水岭上。1927年晋军和奉军混战于该地区之时，奉军名将张作相便统率吉林—黑龙江联军五万之众，试图从雁北浑源、应县进攻茹越口，逼上铁角岭、五斗山，当时张作相亲驻茹越口，督战甚厉，但最终受阻于铁角岭、五斗山晋军依险构筑阵地之时。两军恶斗月余，具备优势兵力的奉军，最终伤亡惨重最终全线崩溃。

但负责防御的晋军第三十四军却对这一地区地形未加考虑，加上原隶属于该军的第七十一师（即郭宗汾预备第二军前身）被抽出，新添入序列的姜玉贞所部尚未到来，因此挚友仅有的梁鉴堂一个旅背险布防于隘口前方，后方二十五里险要的铁角岭、五斗山，虽有既设阵地，但却无兵可守，这个缺口显然是要等姜玉贞所部到来再来填的。加上前方渺无敌情，第三十四军军部干脆也搬到梁鉴堂的旅部附近，同处于茹越口的长沟谷地里。

结果9月28日，日军驱策伪蒙骑兵的两个师突然冲垮茹越口前方的守军，随后日军关东军一个联队乘坐汽车冲入战场，逼进茹越沟。梁鉴堂旅长仓皇之间只能掌握一个营的预备队，只能沿着山沟拼死堵击。结果在日军炮火的集中轰击下，梁鉴堂在前线阵亡，所部全线崩溃，伪蒙骑兵长驱直冲。铁角岭等地险要，由于无兵扼守，竟为日军唾手抢占，反凭晋军已设阵地侧击五斗山。

此时守备雁门关右远翼的独立第二旅方克猷所部，临急抽部队试图从五斗山夺回茹越口；但却被已抢占铁角岭的日军阻击。日本关东军以步骑联合混合，在强烈炮火掩护下，源源冲进茹越沟，转瞬之间晋军又丢失五斗山。日军骑兵于9月29日黄昏插到雁门山后方占领了繁峙城。第三十四军剩了孤单的军部，退到繁峙城再不能立脚，只能向硪口遁逃，雁门防线全局震动。<div>