在此危急关头，阎锡山依据重赏之下必有勇夫的惯例，提出若能拿回1200高地者，赏大洋50万元。
卫立煌受命之后，为了挽回战局，决定抽调5个旅的兵力，从三面向1200高地反攻，并于当晚率独立第5旅至忻口督战。鉴于忻口附近部队庞杂，指挥系统不一，易误机宜，遂令陈长捷指挥第21师、独立第2、第3旅（欠第四团）、新编独立第4旅，负责肃清南怀化之敌；又令郝梦龄指挥忻口正面第54师附独立第3旅之第4团、第218、第217旅各部。
这时，蒋介石致电阎锡山：“刻晋北各军单位虽多，但在第一线兵力，并非绝对优势，与敌决战在即，故第一线各军，必须统一指挥，始能适机运用决战，以期收歼敌之效。”根据蒋介石的指示，阎锡山遂将指挥权交于卫立煌，“并决定以后增加部队均归卫总司令统一指挥”。
一、整军抗战（30）
10月15日，依据阎锡山的意图，卫立煌计划发动全面大反攻。其兵力部署为：
左翼以第14军（欠第10师）、郭宗汾第71师、孟宪吉独立第8旅为机动主力军，由李默庵指挥，在大白水一线出击，图将敌压迫于同蒲路与滹沱河之间。
右翼由郝梦龄、陈长捷指挥原忻口前各部，先夺取南怀化，然后，出击云中河以北，协同左翼李默庵部歼灭该地之敌。
高桂滋第84师于滹沱河东，警戒日军的右翼。
为配合反攻，阎锡山还命在宁武、轩岗间的赵承绶骑兵，向崞县、阳明堡分别截袭敌人后方，牵制敌的后续部队。
反攻的关键在于能否夺回南怀化。为此，卫立煌、傅作义亲到红沟前敌指挥所督战。卫当场宣布：夺回南怀化者，奖大洋10万元，得胜各部长官均请颁发“青天白日最高勋章”。
未等中国军队实施反攻，已锲入南怀化东南高地的日军，自拂晓起，以炽盛炮火向官村以南阵地及1300高地一带阵地猛攻，并以步兵1000余分三路进犯，以图扩大战果。守军第21师官兵沉着应战，激战至午，毙敌甚多。下午，敌复集中炮火，以全力向左翼阵地轰击，炮火之烈，前所未有，将阵地完全击毁，守兵一连全部殉国。而我守军誓与阵地共存亡，全部出击，打退敌人7次进攻，坚守原阵地，与敌对峙。
右翼兵团第15军向桃园村、北郭下村之线进攻，与敌1000余人激战竟日，未能进展。
左翼兵团第14军及第85师与敌主力约七八千人，激战一昼夜，往复进攻，敌我伤亡惨重，卒成对峙之势。
由于南怀化为全线锁钥，关系到整个战局的胜负，卫立煌当即令第21师及独立第5旅协同独立第2旅增援新编独立第4旅，歼灭南怀化日军；并以第68师由秦家庄、旧练庄向前后城头进出，夹击该敌，限于16日零时左右开始攻击。
当晚（15日），阎锡山获悉忻口正面日军以300余辆汽车运来援兵10000余，中央集团军兵力益感不足，遂电令朱德总司令指挥五台山区部队截断敌后交通，阻止敌增援；并令第73师及第101师之第201旅附第399团，火速轻装赴忻县，归卫立煌指挥。
10月16日拂晓，滹沱河左岸至灵山脚下一带日军，增至三四千人，在炮兵支援下向我右翼兵团灵山、1263主峰攻击。阎锡山急电刘茂恩，令其集结兵力，收复灵山，以免影响战局。刘乃严督所部拼死抵抗，激战至傍晚，终将敌击退。左翼兵团亦激战整日，双方均无进展。
忻口正面，第218旅由弓家庄向南怀化敌之侧背攻击，相继攻占旧河北村与南怀化北端河岸，但因孤军伸入，三面受敌，被迫退回。是时，日机10余架，协同南怀化日军一部一再反攻。我正面主力亦向敌施行反攻，双方在南怀化再次展开激烈的争夺战，战况空前激烈达到白热化程度。第9军军长郝梦龄、第54师师长刘家骐、独立第5旅旅长郑廷珍，身先士卒，躬督所部，士气大振，连克数个山头，歼敌甚多。正值战斗进行到扭转战局的关键时刻，郝、刘、郑三位将军竟相继阵亡，指挥中断，攻势受挫。至此，反攻南怀化的战斗失利。中央兵团因连日血战，损失惨重，兵力日趋不足，遂于17日转攻为守。
为了挽回战局，卫立煌乃致电蒋介石，陈述前线部队消耗过巨，请迅速筹划增兵。蒋介石一面回电卫立煌：“忻口会战关系至大，望督励所部一鼓歼敌为盼”；一面令在潼关的第22集团军日夜兼程驰援晋北。
一、整军抗战（31）
阎锡山亦命在龙泉关附近的第94师及第177师之第529旅，星夜赶赴宏道镇，归卫立煌指挥。并加派晋军步兵一个旅、山炮两个团附50门山西造火炮，于17日下午抵达前线。
鉴于日军增兵，我军兵力不足而援军又未及时到达的情况，卫立煌于17日零时下达命令，调整部署如下：
一、独立支队（支队长第94师朱怀冰师长），应迅速即以一小部分占领营房里、隘路口及龙王堂两侧高地，主力置于龙王堂东端，与右地区队协调，尔后依战况待命向原平东北附近地区挺进，直接威胁敌之后方。
二、右地区队（第15军、第17军〈欠第21师〉总指挥第15军刘茂恩军长）应即就现占领张家庄北侧西南贾村、灵山迄界河铺（不含）之线纵深据点阵地，重点置于灵山方面，与中央地区密切联系，拒止当面之敌；并于东西荣华占领前进阵地。
三、中央地区队（第19军、第35军、第61军、第9军、第21师、炮兵第28团、战防炮两连、装甲车一队，总指挥第19军王靖国军长，副总指挥第61军陈长捷军长）应即就现占领界河铺、官村、秦家庄（不含）之线纵深阵地，重点置于中央方面，与右左两地区队密切联系，拒止当面之敌；并于红沟、1300高地至刘家庄（不含）之线，构筑据点式预备阵地，仍须迅速歼灭侵入南怀化及其以东之残敌。
四、左地区队（第14军、第68师、第71师、第85师、炮兵第27团、第2师炮兵营、战防炮营〈欠两连〉，总指挥第14军李默庵军长），应即就现占领新练庄（不含）、秦家庄、大白水、卫村、南峪之线村落及山地据点，重占置于中央方面；并仍须确保旧练庄、兰庄、卫家庄、麻港之线各前进据点。另于刘庄、小唐林、杨胡村间，利用村落，迅速构筑据点工事。
五、各地区应利用山地、村落构成火网，于夜间多派出小部队在阵地前方活动，扰敌阵地，依情况占领之。
六、作战地境
右地区队与中央地区队间：为大有张村，高城以北沿滹沱河右岸经桃园东端亘原平东端相连之线。
中央地区队与左地区队间：为泉子沟、井沟、新练庄、前城头、西泥河、班村相连之线。
七、总预备队位置：独立第5旅交防后，在部落村附近地区；第529旅在忻口附近地区。
10月17日，日军以空、炮、战车联合掩护步兵，不断向灵山、南怀化东北高地、官村、大白水等阵地猛攻，并一度突入阵地。守军奋力反击，与敌反复肉搏，终将敌击退。18日，日军兵分三路再度猛攻。
阎锡山令赵承绶率骑兵第1军出阳方口，向广武方面活动，焚毁南桑干河大木桥，断敌之交通；令马延守独立第7旅与八路军第120师张宗逊第358旅联络，袭击敌之右侧背；令卫立煌、傅作义整饬构筑忻县附近及石岭关各处工事，总预备队由卫立煌统一指挥。
忻口正面，敌自17日起便以炮、空联合向界河铺、忻口镇及南怀化一带猛烈轰击，其步兵1000余人附坦克，仍不断向南怀化方面进犯。此时，因郝梦龄殉国，由陈长捷接任中央兵团前敌总指挥，继续同敌苦战。独立第5旅沉着应战，伤亡奇重。18日，日军增至四五千人，以炮火轰击，步兵冲锋，反复攻击，守军奋力抵抗，形成拉锯战。此后，双方在南怀化以南的红沟展开激战，战事颇为激烈，双方伤亡均重。日军终未获得更大进展，于是，以主力猛攻我左翼阵地。
一、整军抗战（32）
左翼方面，正值李默庵指挥所部向敌侧击时，受到敌前来增援的一个纵队的攻击，乃退守东常村、大白水一线，凭借已筑工事抵抗。大白水系忻口左翼一个重要突出据点，与正面阵地互为犄角。日军欲向南深入，非拿下大白水不可。即使敌夺取大白水，而不同时攻下朦滕村，则会受到我方侧背的威胁。因此日军以战车30余辆、炮100余门，掩护步兵约3000人，向大白水东西阵地全线猛攻。大白水正面战斗最为激烈，村落以外的据点工事及所有交通壕全部被敌炮空及坦克所毁。守军李默庵第10师、刘戡第83师奋勇迎敌，伤亡惨重，仍顽强应战。
当敌将大白水外围工事及障碍物摧毁后，便由东、西、北三面将大白水包围。敌坦克3辆竟顺着东关交通路线突入大白水市街，战况至为紧张。由于我方没有攻击坦克的火器，只得以集束手榴弹和汽油喷浇坦克，始将敌坦克一辆击毁，其余两辆仓皇逃窜。
但敌之进攻并未因此而稍歇，坦克、战车仍在我阵地前沿横冲直撞。李默庵急调军部战车防御炮营，击毁敌坦克及装甲汽车多辆；独立第8旅与郭宗汾第72师和两个炮兵团相继加入战斗，左翼阵地始转危为安，与敌呈对峙之势。
右翼方面，日军以1000余人，攻击我东西荣华村及灵山一带阵地，被守军击退，之后双方展开争夺战，我伤亡达2/3。刘茂恩令第84师固守蔡家岗亘灵山、界河铺之线，与由南郭下村方面来犯之敌数千交战。
日军在全线进攻受挫后，又将攻击重点指向中央阵地，并增加一个旅团的兵力注入南怀化，发动进攻。敌机配合密集的炮火，从早到晚，轰炸不休。而我前线竟无高射武器以资抵抗，敌机更加猖狂，官村以南阵地，从高地到谷地，处处受轰，工事全毁。守军乃以麻袋实土再垒成掩体，待敌步兵冲锋到壕前时，即以手榴弹轰击，如此反复恶斗，终将谷地之敌击退。
敌对谷地的冲击未能得逞，转而争夺官村南高地。该高地如被敌占，不但扼守官村的第54师阵地受到侧后的袭击，难以维持，而且从南怀化不断增援之敌可以得到支持，直贯红沟。于是该高地南北2000余米的战斗面，乃成为敌我争衡的焦点。阵地一昼夜竟敌我易手达13次。每次争夺，敌我炮火齐轰，攻者守者霎时同归于尽。20及21两日，敌猛攻官村一带阵地，并用催泪瓦斯弹射击，双方拼死争夺高地，敌伤亡甚重，我官兵伤亡约2/3。敌于21日晚攻占官村以南数山头，忻口西北发生动摇。卫立煌急令第85师连夜增援，先头部队于22日凌晨抵达，即向该敌猛攻，激战4小时，将所失山头悉行夺回。敌于是向官村西南一带反攻，除以飞机、大口径炮猛烈轰击外，竟施用呕吐催泪瓦斯弹、烧夷弹、烟幕弹、达姆弹，我方阵地前后顿成火海。守兵被溅上凝缩汽油，除倒地滚转外，无法加以救护，伤亡极众，仍奋勇搏战，并对敌进行局部反攻，但进展不大。
阎锡山鉴于忻口战事处于胶着状态，虽极力苦撑，尚无明显转机的迹象，于10月22日命左翼集团军司令杨爱源返回太原，筹划晋南防务，左翼军交由卫立煌指挥。左集团军除八路军第120师担任游击外，已别无部队。
在忻口正面苦战之际，于五台山及宁武山区的八路军及晋绥骑兵等，不断对日军后方进行袭扰。第115师在广灵、灵丘、平型关、砂河镇等处，将敌背后截断；第120师在宁武、朔县一带，袭击敌之增援，破坏交通要隘；第120师在代县一带，在敌前沿阵地后方数十里之内袭击敌人，10月19日夜，第769团袭击阳明堡飞机场，毁伤敌机20余架。八路军“发挥机动效能”，神出鬼没袭击敌人，有力地配合了忻口正面作战。
一、整军抗战（33）
此时，日华北方面军因将第6、第16师团及国崎支队（从第5师团调出）等转进到淞沪作战，几乎没有余力向忻口增兵。而忻口作战各部在中国军队的奋力抵抗下，战况无多大进展，尤其是雁门后方交通被截断，粮秣补给极感困难，不得不向当地百姓征收杂粮充饥。
这又使卫立煌看到战局出现转机的希望之光，决定乘敌援军未到的情况下，围歼忻口之敌。他一面令中央地区各部队全力抵抗，力图规复南怀化突破口；令左右两翼全线以小部队深入敌后方，袭敌侧背。一面电请蒋介石“倘能立派有力3师参加晋北作战，则此残敌众可指日消灭”。
10月24日，我忻口防线守军各以一部出击，袭扰敌军。而日军因得到萱岛支队（22日到达战场）的增援，亦向中方发起攻击，双方激战，但均无进展。
10月25日，卫立煌又电蒋介石：“顷闻寺内寿一所率援军即将陆续到达，倘即刻不能运用内线有利条件，万一援军到达，前途殊感棘手。务予严厉指派、增加部队三四师先歼此敌，再行转击晋东之敌。再迟即无法挽救。”
10月26日，日军约5000余人，集中炮空力量猛攻我左翼朦滕村北侧及西北高地主阵地，迄午后，第83师及第71师守兵牺牲殆尽，各该高地遂为敌陷。日暮后，该兵团各抽一部反攻，血战竟夜，冲锋10余次，卒将该山头恢复。在右翼，日军新增■野联队两个大队，猛攻灵山及南郭下村以南阵地，后将东西荣华夺去。
正面之敌，几度进攻，均被我军击退。于是，日军改变进攻方式，于接近我阵地四五百米线上，乃停止进攻，就地筑起阵地，逐步进逼，并且以飞机在白天对我阵地轰炸，制压我炮兵的反击，掩护其步兵、工兵的对壕作业，直到入夜始行沉寂，翌日又复进行。
为了破坏敌人的坑道攻击法，守军乃组织小突击队，于夜间潜出，用黄色炸药包塞进敌阵和坑道掘进口予以破坏，并出敌不意进行夜袭，不断有所奏效。10月27日，敌增兵一二千人，采用坑道攻击法向中国阵地迫近，中方各部用对壕前进及小部侧击的方法对付日军。
在对坑近战的同时，我炮兵改变战法，白天暂匿于石窑洞里躲避敌机轰炸，黄昏后进入不断变换的放列线，对南怀化和泥河一带敌炮兵群与机场，予以�