在平型关战斗中，由于正面布防的友军没有按预定计划出击，失去了消灭更多敌人的机会，平型关正面的日军得到从浑源南下的日军的增援，稳住了阵脚。同时，内长城线上日军突破茹越口和阳方口，从东西两侧向雁门关迂回。10月2日，雁门关失守，对太原形成强大威胁。太原是山西的首府，其政治、经济、军事上的战略意义相当重要。日寇一旦占领太原，可沿同蒲路直下黄河，进逼潼关，威胁西安。

　　10月1日，日本参谋本部命令其华北方面军，“以一部兵力在山西省北部作战占领太原”。华北方面军当夜下令第五师集结代县，担任攻占太原任务，并命向保定转进之第九旅抽出两个大队，经平绥线运至大同归还建制。为统一晋北作战指挥，将位于内长城以南的关东军察哈尔派遣兵团等4个半旅，划归第五师师长坂垣征四郎指挥。这样，晋北日军共约3个师，7万余人，虎视眈眈对准太原。

　　蒋介石和阎锡山为挽救山西战局危机，保卫太原，决定利用忻口进行正面防御，阻敌南下，于是着名的忻口、太原会战开始了。

　　为阻止日军南下，蒋介石和阎锡山以卫立煌为前敌总指挥，调集4个集团军首先组织忻口会战。忻口右托太行山，左倚云中山，地势险要，是太原北面的最后一道门户。中国军队防御的具体部署是：以卫立煌率领的第十四集团军组成中央兵团，扼守崞县、原平至忻口一带地区；以朱德率领的第十八集团军（即八路军），在五台山至峪口一线设防，阻击敌人；以杨爱源率领的第六集团军，在宁武山区的黑峪村至阳方口一线占领阵地；以傅作义率领的第七集团军为预备兵团，控制定襄、忻县、太原一线并机动。

　　为争取忻口作战的胜利，中共中央军委主席毛泽东，曾就忻口作战的方针，于10月6日，向第一、二战区和南京军事当局提出建议。毛泽东判断，进入山西之敌总数不过两个半师团，敌在沿途须分兵守备。因此，到达忻口一带作战者不过一个师团左右。如果我方部署适当，有可能破坏敌之进攻，甚至逼敌部分地后退。他指出此战役的关键在下列三点：（一）娘子关、九龙关的坚守。敌占石家庄后，将向西进攻。故上述二关须集结重兵坚守，以使主力在晋北取得胜利；（二）正面忻口地区之守备与出击，出击是主要的；（三）对敌后方及交通线之破坏。并命令八路军第一一五、第一二〇、第一二九师全力协助友军作战。

　　根据毛泽东的指示，朱德、彭德怀于10月6、7日，令第一一五师协同友军向平型关、大营镇之敌进攻，相机袭取浑源、应县，断绝茹越口、繁峙之间的交通；令第一二〇师以主力向岱岳镇（今山阴县）以西山地出动，断绝大同与雁门关之间的交通，以第三五八旅主力配合友军夹击宁武以南之敌；令第一二九师主力进到正太铁路之寿阳、平定地区，积极钳制与打击西进之敌。

　　10月1日，日军混成第二旅千余人由繁峙向阳明堡进攻，与中国第十九军一部激战，侵入阳明堡。2日，在飞机支援下开始进攻崞县。4日，日军混成第十五旅由崞县迂回，向原平镇猛攻。第二战区长官部为使主力部队有充裕时间集结忻口与敌决战，下令“死守崞县、原平，以待后续部队到达”。5日、6日两日，日军集中炮火对崞县中国守军猛烈轰击，阵地被毁殆尽，第十九军第四〇七团官兵伤亡极为惨重。7日，围攻崞县之日军增加到五六千人，以飞机20余架、野重炮30余门对县城狂轰滥炸达6小时。第四一〇团从团长到士兵，全部阵亡。入夜，中国守军各高级军官率所部亲自参加堵击，日军仍有增无已，无法挽回败局。8日凌晨，崞县陷落。

　　坚守原平镇的是第三十四军第一九六旅，虽兵力单薄，但士气旺盛，官兵们誓与阵地共存亡。旅长姜玉贞接到死守原平的命令后，立刻进行部署。各部队刚刚进入阵地不久，日军就尾追上来。进入原平的是坂垣师的主力，天上有飞机掩护，地上有大炮、坦克开路，可守军只有为数不多的迫击炮。原平又是一座小城，没有坚固的工事。但是，他们必须坚守阵地7天。

　　日军从10月1日起就用大炮开始猛轰守军的阵地。6日增加兵力，并以飞机、炮兵支援，反复进攻，均未得逞。日军恼羞成怒，动用飞机大炮轮番轰炸，开动坦克在阵地前横冲直撞。中国守军的工事被炸塌，被迫进入城内防守。日军乘机占领原平城的东半部，中国守军死守原平城的西半部。两军一街之隔，展开激烈的巷战。一直坚持到10月7日坚守任务完成后，姜玉贞带领全旅官兵又苦撑了3天。11日下午接到撤退命令，姜玉贞才带领残部从日军比较薄弱的城西一角冲了出去。他手抡大刀，左砍右杀，杀得日军抱头鼠窜。眼看部队就要冲过阵地了，一发炮弹落在姜玉贞身旁。这位忠勇将军终于在坚守了11天的阵地上，流尽最后一滴血。

　　在崞县、原平保卫战激烈进行的同时，八路军各部队根据中共中央军委和八路军总部的部署，向敌侧后展开了主动的攻击。10月1日，第一二〇师雁北支队袭占朔县以北之井坪镇（今平鲁县城），4日又收复平鲁县城（今平鲁镇）。接着对同蒲铁路朔县至大同段展开破袭战，10日在辛庄伏击敌运输队，随即逼近大同。10月8日，第一二〇师主力夜袭宁武县城。10日，第一一五师独立团攻占涞源县城。但崞县、原平的相继失守，使忻口处于日军的直接攻击之下。忻口是太原的大门，此处倘若不保，日军就可长驱南下，直抵太原。10月12日，中国左、中、右三路集团军已到达忻口附近占领阵地。阎锡山又命令傅作义率领预备集团军第三十五、第六十一军、独立第二旅、第三旅等部开赴忻口，加入中央集团军作战。同时调整军事部署，将中央集团军分为三个兵团，以刘茂恩指挥第十五军、第十七军、第三十三军等部，组成右翼兵团；以郝梦龄指挥第九、第十九、第三十五、第六十一军等部，组成中央兵团；以李默庵指挥第十四军及第六十六、第七十一、第八十五等师，组成左翼兵团；以卫立煌为前敌总司令，统一指挥三个兵团在忻口一线余架飞机和大批坦克、火炮掩护步兵5000余人，对中国军队忻口防线实行中央突破，猛攻南怀化阵地。14日，南怀化至灵山的主阵地被敌突破。16日，卫立煌调5个旅反攻南怀化。中国守军奋勇抗敌，曾一度将侵入南怀化之劲敌歼灭。在艰苦的攻守激战中，中路兵团指挥官第九军军长郝梦龄、第五十四师师长刘家麒、第五旅旅长郑廷珍壮烈牺牲。

　　郝梦龄原在大后方学习，他主动要求上前线，临行时已“抱定牺牲”之决心，在战斗中率领部队奋勇抵抗，牺牲时年仅39岁。人们从他的遗物中找到他在火线上留给夫人剧纫秋的最后遗嘱，其中说：“余自武汉出发时，留有遗嘱与诸子女等。此次抗战乃民族国家生存之最后关头。抱定牺牲决心，不能成功即成仁，为争取最后胜利，使中华民族永存世界上，故成功不必在我，我先牺牲。……余牺牲亦有荣，为军人者，对国际战亡，死可谓得其所矣！”

　　山西生产的手掷弹、手雷也发挥了巨大作用，炸得日军抱头鼠窜，尸横遍野。当地成百上千的老百姓自发地组织起来支援前线，抬伤员、挖战壕，与战士们一起穿梭在火线上。当守军的手掷弹、手雷打光时，各村百姓纷纷将自己家藏的刀、矛、钢叉等武器送给战士们，和敌人展开肉搏战。整个山西战场出现气壮山河的全民抗日局面。在保卫忻口的战斗中，八路军在朱德的指挥下，在敌主力之侧翼和后方，密切配合友军袭击敌军。10月13日至14日，第一一五师第三四四旅在小寨村断绝日军交通，15日截获敌援军汽车130余辆，歼敌200余人，接着夜袭团城口，随后收复平型关及浑源县城。其六八八团还夜袭沙河镇日军，缴获大批粮食和军用物资。16日，第一一五师之独立团和骑兵营，在广灵南设伏，袭击日军，并乘胜收复广灵、涞源、蔚县、灵丘、易县、阳原等县城。18日，攻克曲阳县城，同日，第三四四旅第六八八团还攻克繁峙县城。19日，第一一五师之第三四三旅向繁峙守敌发起攻击，也一举攻克数城。至29日，骑兵营又接连收复平山、唐县、完县等县城，对平汉路北段日军交通造成了严重威胁。至此，第一一五师共收复县城10座，切断了张家口至代县间日军的后方补给线。

　　第一二〇师在日军的右翼及后方支援友军作战，12日在崞县十里铺，13日在宁武，14日在大牛店、南北大常及永兴村等地与日军激战，毙伤大量敌军。特别是18日，第一二〇师第三五八旅在雁门关以南的黑石沟地区设伏，击毙日军300余人，击毁汽车20余辆，并收复了雁门关，切断了日军的交通线日，第三五九旅还在阳明堡西南之王董堡伏击日军运输队，击敌汽车7辆。通过不断袭扰，使敌交通运输线陷入瘫痪。

　　由于第一一五师、第一二〇师切断了日军的交通运输，使日军的物资供应顿加困难，不得不借飞机输送给养。卫立煌于10月24日给蒋介石的密电即说：“敌自雁门被截断，粮秣极感困难，现向地方征发杂粮中。”第一二九师也传来胜利捷报。该师先头部队第七六九团在崞县以东袭击敌人翼侧时，发现阳明堡地区日军飞机频繁起落，轮番轰炸友军忻

　　口阵地，遂决心夜袭该机场。为摸清机场日军的防卫情况，该团在当地群众的协助下，由团长陈锡联带主攻营的连以上干部，化装成民工，混在修机场的群众中，对机场情况进行了调查。他们发现敌军机场上停放24架飞机，周围设有防卫工事，200名日军戒备森严把守。19日夜，第七六九团以第三营袭击机场，以第一营钳制崞县之敌，以第二营为预备队。第三营潜入机场后，突然发起攻击，以密集手榴弹袭击停机坪内的飞机。日军守备队从梦中惊醒，疯狂进行反扑。仅经1小时冲杀搏斗，英勇的八路军战士就将停放于机场的24架飞机全部炸毁，歼灭日军百余人，顺利撤出战斗。这一重大胜利使中国军队在忻口的作战中大受裨益，顿时减轻了空中威胁。日军地面部队失去空中优势的掩护和空中运输补给，士气更为低落，在十余天的进攻中毫无进展，伤亡惨重，处于进退维谷的境地。在这次偷袭中，八路军伤亡30余人，营长赵崇德光荣牺牲。国民政府对八路军在保卫忻口的战役中积极配合，并不断取得奇胜非常满意。10月17日，连发两电表示嘉奖。第一封电报说：“接诵捷报，无任欣慰，着即传谕嘉奖。”第二封电报的内容是：“贵部林师及张旅屡建奇功，强寇迭遭重创，深堪嘉慰，仍希继续努力，以竟全功为要。”但是，八路军在侧翼的英勇作战，并不能扭转会战主战场全局的局面。以后因晋东娘子关的失守，忻口守军不得不全线撤退。