各出击部队遂按计划准备向敌反击。9月24日夜，八路军第115师冒着倾盆大雨，设伏于平型关东北老爷庙至小寨村公路附近高地。25日晨，敌第21旅团第21联队之第3大队，携带大批辎重车辆，沿着公路西进。7时许，敌全部进入我伏击圈，八路军采用拦头断尾、中间突击、分割歼敌的战术，居高临下，突然向敌发起猛烈的攻击，与混乱的日军短兵相接，展开白刃格斗，血战至中午13时许，取得了伏击战的伟大胜利。
为了扩大战果，八路军又发扬连续作战的精神，第343旅主力向平型关正面东跑池一线之敌进击，于黄昏时，攻占了东跑池东北1900高地，将敌压缩包围于该地。但由于晋绥军未按预定计划出击，致使粟饭部约2个营向西北团城口突围逃窜，失去了消灭更多敌人的机会。
是役，第115师歼敌近1000人，击毁汽车100余辆、马车200余辆，缴获步枪1000余支、机枪20余挺、野炮1门，以及大量军用物资。我军亦伤亡1000余人。 平型关战斗，是华北战场上中国军队主动寻歼敌人而又首次取得胜利的战斗。
平型关战斗，由于八路军英勇杀敌，创造抗战首胜的光荣战绩，也为阎锡山筹划的整个平型关战役争了光。阎为此感到很欣慰。
此时，阎锡山彻底放弃了原来把敌人放进关内，进行“砂河会战”的计划，而欲与敌在平型关外决一雌雄。本来，战斗开始不久，阎锡山就听信孙楚等人的建议，对原定作战计划有所动摇，令平型关、团城口一线所部固守，相机出击。而现在阎又为八路军平型关大捷所鼓舞，加之雁北方面的敌情无多大变化，又觉得平型关外的局势大有可为。于是他一面命令郭宗汾第71师坚守涧头、迷回阵地；一面令在代县的陈长捷第61军火速驰援平型关。
但是，战事的发展，又出现了新的变化。正值傅作义指挥部队向敌反击时，敌主力又转向团城口方面猛攻。团城口位于平型关北5里处，为平型关隘前的制高点，也是晋北主阵地之要点，一旦被敌突破，则雁门关感受威胁。但是，守军高桂滋第17军竟不顾大局，在敌重压之下退出团城口阵地，致使东、西跑池以北的鹞子涧、六郎城一带险要阵地相继为日军所占领。阎锡山得悉后，非常气愤，但又无可奈何，因为守军是蒋介石派来的中央军。事后，阎同其将领回忆起此事还愤慨地说：“高桂滋放弃团城口，比刘汝明放弃张家口，更为可杀！”
团城口丢失，第71师及独立第8旅不得不占领迷回村、黄圪底窳一带，构筑阵地，先对敌进行阻击，激战至中午，将日军右翼击溃，夺回数个山头，稳住了阵脚。陈长捷又率第72师及时赶到，随即乘胜反攻，由公路两侧出击，夺回鹞子涧一带高地，将日军包围于东、西跑池之深沟内。这样就“将出击的作战变为争夺山头”之战。
同时，阎锡山鉴于杨爱源、孙楚对客军没有笼络统御能力，特命傅作义前往大营，全权指挥平型关方面作战。并且设想俟陈长捷部到达平型关后，仍调度高桂滋、刘茂恩两军，协同反攻团城口，然后，再联合八路军，歼灭板垣师团于平型关、东河南间。
为此，9月26日晚，阎锡山给各集团军下达命令如下：
（一）〈庾〉关（即平型关——引者注）正面之敌，连日与我激战，已被我击溃。宥（26日）日，敌由浑源、灵丘增援甚众，煌捃部约2000余，炮20余门，向我［茹］越口一带进攻，敌似有进入关内之企图。txt电子书分享平台
一、整军抗战（23）
（二）我决集中兵力，迅速抗拒各个正来犯之敌。
（三）六集团军应联合十八集团军及总预备军，迅速击破进攻平型关之敌，七集团之杨爱源军，应竭力抗拒在［茹］越口一带之敌，其余各军固守阵地，以待我主力转移反攻该敌。
（四）各集团军应本以上要旨，妥筹部署，即行开始动作。
就在阎锡山调整部署的同时，板垣急调第42联队主力，由蔚县增援平型关。26日，该敌加入团城口、鹞子涧、六郎城一带的战斗，并集中兵力向迷回村方面猛攻。激战至晚，中国军队终将包围圈缩小。
9月27日拂晓，日军步、空、炮协同作战，向迷回村、盖房沟等阵地发动全面攻击。同时，察哈尔派遣兵团南下部队为直接支援第5师团作战，派十川支队经浑源向平型关中国军队左翼绕攻，在西河口一带遭到第21师的抵抗，终未得逞。28日，第71师第214旅3个团，向六郎城、鹞子涧日军攻击，连夺山头、村庄数个，歼敌1000余人。但程继贤第434团，因突入太深，被敌包围，除数十人突险外，其余自团长以下均壮烈殉国。傅作义即令第218旅支援，日军也增兵反扑，敌我双方在团城口一线胶着，呈对峙状态。
9月29日，敌又以两个纵队向我进攻，阵地数濒危殆，经守军奋勇抵抗，方挽回颓势。至此，平型关血战已达*日，日军终未能越雷池一步；中国军队也无法全歼敌于平型关外。
正值平型关鏖战之际，日关东军混成第15旅团南下应县，于9月27日向恒山与雁山的邻接部——茹越口发动猛攻，以策应平型关方面的第5师团。茹越口亦为内长城防线的交通要冲，是从应县至繁峙必经之处，向为兵家必争之地。阎锡山虽在此处筑有国防工事，但山地纵深较浅，而且处于晋军和刘茂恩军的结合部，守军兵力单薄，仅有第34军梁鉴堂第203旅防守。其后方25里险要的铁角岭、五斗山，虽有既设阵地，却未布置守兵。战斗一开始，敌步炮联合4000余人，在炮火掩护下，向我阵地猛攻。该旅第227团顽强抵抗，损失惨重。这时，阎锡山即令第34军派队出击。日军也增兵，战事均无进展。翌日，敌再度强攻，激战至午防线被突破。梁鉴堂率余部退守繁峙以北的铁角岭阵地，继续抵抗。阎锡山又命预备军3个团投入战斗，但未能阻止日军。29日，日军得到补充后，以重兵猛攻铁角岭阵地，梁鉴堂督率余部与日军鏖战，最终自旅长以下官兵1400人全部殉国，阵地失守。日军乃向繁峙急进，30日陷繁峙城。
在茹越口失陷的当日，阎锡山由岭口赴砂河督战。在听取了平型关方面的战况报告后，阎锡山判断日军是以一部兵力在阳方口、茹越口方面实施牵制，而以主力攻击平型关。因此，战区的注意力仍应集中在平型关方面，依然贯彻实施原定计划。
9月29日上午，阎锡山乘车前往大营视察战况。当晚，他在砂河南边的东山底，召集前线高级将领开会，商讨对敌之策。傅作义等总部幕僚拟定出两个方案：一是围攻茹越口、繁峙，歼灭平型关外之敌。其步骤为：先以代县东的马延守、姜玉贞两旅协同五斗山以西的方克猷独立第2旅，攻击进入茹越口、繁峙间之敌，予以围阻牵制；繁峙以东的第35军董其武、孙兰峰两旅仍向团城口前进，先击垮六郎城、鹞子涧线上之敌，配合活动于敌后的八路军，歼灭平型关外的板垣主力兵团，然后，再消灭繁峙之敌。二是坚持平型关、团城口阵地，夹击入侵繁峙之敌。即先以位于繁峙东西的第35军全部，夹攻侵入繁峙之敌，驱敌出茹越口后，带动刘茂恩军向团城口方面转进，以主力包围抄袭平型关、灵丘间的板垣师团。
一、整军抗战（24）
上述两个方案相比较而言，第二方案较为可行。从兵力对比看，平型关正面为第5师团主力，而侵入繁峙之敌仅关东军第15旅团；我平型关方面守军经数日激战，伤亡较重，欲全歼板垣主力实为不易，而繁峙方面我后方兵力雄厚，如能迅速调集强大兵力，同心协力，多方夹击，是不难一举歼灭该敌的。从战略与战局上看，关东军侵入繁峙，威胁我主战场侧后；平型关虽战事胶着，但主动权依然在我手中，即使一时不增援出击，尚可坚持，所以，先围歼繁峙之敌，方可解除平型关后路被截之忧，否则，日军由侧后与正面两面夹击，则平型关我军将陷于不利境地。
阎锡山先以第一方案问各将领，将领们顾虑重重，一时难以决定。阎又提出第二方案，依然各执一词。正当讨论当中，接到前线紧急报告，说平型关日军正向平型关南翼的白崖台、东长城村方向移动；茹越口方面，从五斗山反攻铁角岭、茹越口的方克猷旅，溃退代县。阎锡山一时拿不定主意，便听从了杨爱源“繁峙之敌有可能经峨口直窜五台山”的微妙提醒，深恐通往五台山的退路被截，竟拍案而起，说道：“我看如此战局，无法补救了，迟退且陷全灭！星如（杨爱源字）、宜生（傅作义字）就下令全线撤退吧！”于是，决定缩短战线，各路大军向五台山区的神堂、车厂、楼圪梁、峨口、峪口，经代县、雁门关至阳方口之线转移，占领斜角阵地阻敌。会议结束，已是午夜1时（即30日1时）。阎锡山又给在代县的王靖国打电话，但电话已不通。他更感不安，计划全线撤退至石岭关以南的忻口地区以保卫太原。部署完毕，阎锡山趁夜骑着毛驴赶往五台县台怀镇，路上不禁触景生情，赋诗一首：“雪云彻夜走清凉，飞灯光耀遍山梁。老人途中迟行进，徒步泞泥衣带霜。” 这首诗仿佛是一幅自画像，将自己在朦胧月夜，缓缓跋涉于蜿蜒泞泥山路的旅途劳累的样子，惟妙惟肖地勾画出来了。
9月30日上午，阎锡山抵达台怀镇，正式下达了由内长城防线全线撤退的命令；雁门关方面则由行营参谋长朱绶光代其下达撤退命令。岭口行营人员及卫队也由朱绶光率领撤回太原，行营随即撤销。
然后，阎锡山由台怀镇抵达豆村，召开了紧急军事会议，杨爱源、续范亭、张培梅、朱德、任弼时、林伯渠等与会。会议着重讨论了保卫太原和八路军弹药、给养补充等问题。
从撤退命令下达至10月2日，内长城防线各军相继向预定地区转移集结，在砂河和平型关外歼敌的计划随之破灭。正如阎锡山所言：“撤兵令下意凄凉，指挥杂军愧无方。原由平型复南口，孰意茹越殒鉴堂。”
内长城防御作战从战斗打响到撤退，历时10余日，二战区所属军队凭险据守，进行了积极的抵抗，付出了沉重的代价，广大爱国官兵浴血奋战，为国捐躯的精神是值得后人称道的。而作为第二战区司令长官的阎锡山，亲自赴岭口督战整整一个月，无疑也是值得赞赏的，但其中也暴露出了他在战役指导上的一些失误。如：把敌“放进关内围打”的计划，不啻为引狼入室的一步误棋。如前所述，内长城防线是阎锡山苦心经营多年的一道防线，完全可以依此阻敌，平型关方面与敌相持10余日就是最好的例证。相反，把敌放进平型关再进行围歼，不但使内长城防线丧失作用，而且将凭险据守的积极防御作战，变为同装备优良的日军进行阵地消耗战，实为失己所长，补敌所短。当关东军第15旅团突破茹越口防线，攻陷繁峙之时，阎锡山仍无信心围歼。试想如果将板垣第5师团放进平型关内，能否将敌全歼？幸好后来未实行原来计划，否则果真把板垣放进关内，其后果更不堪设想。 。 想看书来
一、整军抗战（25）
由于有此误棋，致使作战计划变化太快。从军事战略学上讲，指挥官应根据战局的发展与变化，及时修订其作战计划与方针，但是，阎锡山在此次战役中，还未全面实施其把敌“放进关内打”的计划，就一改初衷要歼敌于平型关之外，而且其计划的改变不是依据战况的发展，而是听信他人所言。这些无疑给整个战役带来了消极的影响。
对于上述失误，阎锡山不知是有自知之明，还是故作姿态，于9月30日下午在台怀镇特致电蒋介石，请求处分。电文除报告了战况及军队部置外，说：“山指挥无方，丧失关隘，遗误国事，非特自疚，实为国法所不容，恳钧座呈请政府严予行惩处。” 蒋介石当然不敢在大敌当前的形势下，责备一方“诸侯”，接电后，于是10月2日复电，对阎锡山加以慰勉，电文曰：“吾兄躬亲督师，为国宣劳，殊深嘉佩。平型小挫，请毋介怀，仍盼策励各军，继续杀敌，以争最后胜利。”
决战忻口
日军突破阎锡山内长城防线后，第5师团尾随撤退的中国军队，于10月1日攻陷代县；察哈尔派遣兵团独立混成第1旅团西出朔县、阳方口，向宁武进攻，威胁中国守军左翼。太原已危在旦夕。
为了保卫太原，阎锡山急忙调集8万兵力，采用攻势防御的战术，以一部扼守五台山、崞县，掩护大军集中，主力向忻口附近集结，占领既设阵地，阻敌南下，筑起保卫太原的最后一道防线。
当时，周恩来根据该地区的自然条件和扬长避短、发挥优势的指导思想，曾建议阎锡山在中地区应以小部钳制当面之敌，而以大部诱敌，求得侧面出击，消灭敌人；同蒲路东的右地区部队应以广泛的游击牵制敌军；同蒲路西的左地区应以游击来破坏和阻止敌军前进；并电请南京方面增派3个师主力军实行战略上的北上出击。
10月1日，日军统帅部鉴于山西的“政略价值”，下达作战命令。命令华北方面军“以一部兵力在山西省北部作战占领太原”；命令关东军“以一部入列华北方面军指挥下”，协助该方面军作战。华北方面军当夜便令第5师团主力集结代县，准备攻占太原；并命令位于长城以南的关东军察哈尔派遣兵团4个半旅团划归板垣指挥。同时又将向保定转进的第9旅团抽出2个大队，经平绥线运至大同归还第5师团建制。这样，集结在山西北部的日军有：第5师团（欠第9旅团）约万人；独立混成第2、第15旅团、大泉支队、堤支队约万余人；独立混成第1旅团约3000余人。总兵力约万人（不含归还建制的第9旅团2个大队）。日军动用如此重兵，目的在于迅速拿下太原，以山西为战略基地，解决华北战事。
在敌军的大肆进攻下，阎锡山只好向蒋介石求援。蒋介石“为挽回危机，着眼于山西要地之确保，决定转用平汉线兵力”。
10月2日，蒋介石急令卫立煌率第14集团军