华北方面军司令官寺内寿一遵令于当日晚间下令，第五师团并指挥进入内长城以南的关东军向太原发动进攻；接着命令第一军突破石家庄一带中国守军防线向南追击，以一部进入井陉以西地区策应第五师团进攻太原的作战；命令第二军从滏阳河左岸地区发动攻势，攻击石家庄地区中**队的侧背。此时板垣征四郎手中已经握有3个师团，7万余人，并配有350多门大炮，150多辆坦克和300架战机的支援。

为确保山西要地，蒋介石令卫立煌率第14集团军4个半师从河北星夜驰援忻口，任卫立煌为前敌总指挥，组织忻口会战。10月5日，阎锡山召集卫立煌、黄绍竑、杨爱源、傅作义等研究晋北防御战的兵力部署，周恩来也应邀参加，会议针对日军从平型关、雁门关、阳方口三路南犯的态势，把入晋作战的各路大军统筹划分为中央军、左翼军、右翼军和总预备军，拟从10日开始，协同攻击前进，乘敌立脚未稳，迅速击破。

为了保卫苦心经营几十年的老巢—山西政治、经济、文化中心的省城太原，。因此，第二战区司令长官阎锡山可谓不惜一切，调重兵于忻口阻击日军。而坐镇陕北的**获悉二战区对晋北防御战的兵力部署后表示，他不反对使用一部分兵力于正面，但是强调八路军主力必须使用于侧面，采取包围迂回战法，独立自主地攻击敌人，就是在正面作战的军队，也不可用单纯防御的战法，主要应采取“反突击”的战术。

同时**同时研究了日军惯于使用迂回战法、第二战区丧师失地屡受其害的经验教训以及阎锡山关于“敌人对晋北方面是主力的进攻，平汉路方面是助攻”的观点。第二天，10月6日，**特地致电周恩来等，提出华北作战的战略补充意见，指出日军石家庄后，将向西面进攻，故龙泉关、娘子关两点须集结重兵，实行坚守，才能使主力在太原以北取得胜利。

日军在占领茹越口、铁角岭、平型关之后，会师于繁峙，进攻绥远的察哈尔派遣兵团另一部则于9月28日攻占朔县，30日越过阳方口，向晋北交通要点宁武进攻。至此，中**队内长城防线又被敌突破，日军逼近忻口。10月1日，华北日军主力板垣第五师团及关东军察哈尔派遣兵团第一、第二、第十五混成旅团与特种部队等共3万余人，沿代县至原平公路发起进攻，忻口战役序幕拉开。

日军以正面进攻结合迂回，在猛烈的炮火、坦克和飞机支援下攻打崞县、原平。守军第十九军主力奋勇阻击直至白刃鏖战，坚守一周，战斗十分惨烈。为使主力部队有充裕时间集结忻口与敌决战，第二战区司令部命令中国守军死守崞县、原平，以待后续部队到达。最终驻守崞县西关独立第七旅一个团全替殉国，团长刘连相、石焕然在战斗中阵亡，崞县陷落。驻守原平的晋军第一九六旅姜玉贞所部与敌血战10天，以劣势之军抗击强寇，也几乎全部壮烈殉国。11日，日军占领原平。

而为了为配合忻口正面抗击日军的进攻，八路军在日军翼侧和后方积极打击日军。第一一五师一部于10月13日收复平型关，并将团城口至东河南镇的公路破坏，16日占领团城口，接着收复砂河镇、繁峙和浑源县城；一部在察南、冀西活动，收复涞源、蔚县、灵丘、广灵、曲阳、唐县。第一二○师一部截断怀仁至崞县的交通，另一部对崞县地区日军发动攻击，随后进至雁门关地区截击日军交通运输线，18日在雁门关以南伏击日军运输队，击毁日军汽车数十辆。

八路军第一二○师对日军后勤运输线的袭扰，使板垣师团的军需供应极度不良；食物不足，兵士们饥饱无常，弹药短缺，各种兵器的效能不能充分发挥；油料缺乏，机械化装备和其他机动车辆不能足数出动；重兵器成了兵士的负担，一门大炮要几十人推拉；晋北的10月已寒气袭人，但敌人却没有冬衣。兵士食不果腹，衣不御寒，不得不以军毯裹身，玉米充饥。还有伤兵不能及时后送，在堑壕里呻吟不已；死者不能转运，阵地上尸横枕藉。因而士气沮丧，军心动摇，雄心勃勃的板垣征四郎已经无力爬过忻口。八路军第一二九师第三八五旅第七六九团陈锡联所部更在山西省代县以南阳明堡夜袭日军前线飞机场。令日本陆军不得不抽调大量兵力用于稳定后方。

但崞县、原平失陷后，忻口完全处在日军直接攻击之下。两军在狭窄在阵地前线反复拉锯。双方激战半月之久，日军始终未能完全占领这一交通要隘。鉴于板垣征四郎在忻口附近受到中**队的顽强抵抗，进展甚微，华北方面军在10月中旬调集3个师团的兵力沿正太路向太原进攻。当时中**队方面部署在保定以北平汉线上的孙殿英部一触即溃。平汉铁路前线总指挥刘峙又乘火车仓皇南撤到豫北，华北前线各部队，陷入指挥无人的尴尬境地。

虽然蒋介石命第五十二军军长关麟征为临时指挥官，将河北南部各部队向石家庄以东转移，至晋县一带收容整顿。但是沿平汉线南犯的日军，已经在进攻石家庄的同时，以一部兵力西进，直扑娘子关，与由晋北南下的板垣征四郎会攻太原。此时，保卫娘子关已经成为了稳定华北战局的众宗之重。

当时在娘子关一带虽然有孙连仲的第二十六路军、冯钦哉的第二十七路军和曾万钟的第三军。但除了冯钦哉的第二十七路军之外，其他部队均未来得及进入战区。而冯钦哉指挥部更由于位置不定，电台无法联系。蒋介石只能派黄绍竑为第二战区副司令长官，担任娘子关前线指挥官。调动陆军第三十八军第十七师赵寿山所部防守娘子关、旧关一线。

但由于日军向西推进的速度较快，赵寿山接受防守娘子关外围的任务后，不得不率领部分兵力主动出击，在获鹿附近滞留日军两昼夜。虽然第十七师利用这一机会在雪花山、乏驴岭一带进行了部署。但是娘子关外围没有既设防御工事，雪花山、乏驴岭又都是石山，构筑工事困难，只能用麻袋装土做成掩体，在拥有优势装备的日军进攻面前，第十七师的防御任务是十分艰巨的。

10月12日凌晨，日军第二十师团川岸文三郎所部向娘子关发起全面进攻，雪花山首当其冲。激战两天一夜，雪花山反复易手数次，至14日拂晓雪花山最终为日军占据。日军占领雪花山后，继续向乏驴岭阵地发起攻击，企图突破正面，继而进攻娘子关。到19日下午5时乏驴岭阵地失守，娘子关前沿最终全线告急。

21日，日军第二十师团得到第一○九师团一部增援，继续在航空兵支援下正面进攻娘子关，掩护第二十师团左右两个突击队向南运动。与此同时第二十师团辎重部队在行经七亘村，先后两次遭八路军第一二九师伏击。这样的小规模伏击已经无法影响整体的战局。就在七亘村第一次伏击战同一天，日军攻占柏井，威胁娘子关与旧关******守军的侧背。娘子关防线上的******部队惧怕后路被切断，争相撤退。日军乘势尾追，29日占领平定，30日占领阳泉，占领寿阳。娘子关的陷落，使忻口守军陷于腹背受敌的困难。坚守了23天的忻口，于11月1日放弃。晋北、晋东战局陡然恶化。

娘子关守军当日全线撤退，日军沿正太铁路（石家庄—太原）向西追击，并击退尚未集结完毕的川军第四十一军的阻击。11月2日占寿阳。日军迅速逼近榆次，危及太原。11月4日和7日，日军第二十师团直属队在广阳山地又遭八路军第一一五师、第一二九师各一部的伏击。但是面对庞大的日军攻坚部队，整个山西的局势依旧岌岌可危。<div>