15日，忻口正面守军向中泥河、东泥河之敌反击，曾一度攻占中泥何，但在日军增援到达后，被迫撤回。攻占南怀化之日军，自拂晓起，继续向1300高地攻击，情势极为严重。左、右翼兵团经一日激战，仍与日军处于对峙状态。
卫立煌鉴于南怀化为全线锁钥，关系忻口战役的全局，遂决定集中第21师、独立第2、第5旅及新编第4旅等部共5个旅的兵力，歼灭南怀化日军；并以第68师由秦家庄、旧练庄向前后城头行动，夹击该敌。限于16日零时前后开始攻击。
阎锡山得知当面之敌增加，恐中央集团军兵力不足，遂电令朱德总司令指挥所属截断敌后交通，以阻敌续增；并即派第73师及第101师之第201旅等部，迅速轻装赴忻县，归傅作义指挥。
16日2时，南怀化阵地反击战正式展开。第218旅由弓家庄向南怀化敌侧背攻击，7时攻占旧河北，9时占领南怀化北端河岸。是时，日军飞机10余架，协助其地面部队一再反扑，终被击退。
郝梦龄率部向占领南怀化之敌奋勇反击，阵地得而复失、失而复得，战斗异常激烈。经昼夜激战，占据南怀化以南之日军，大部被歼。此战，日中双方军队均伤亡数千人，第9军军长郝梦龄中将（牺牲后被迫晋为上将）、第54师师长刘家琪少将（牺牲后被迫晋为中将）、独立第5旅旅长郑廷珍少将等，均壮烈殉国。
连日鏖战，部队伤亡惨重，卫立煌除派陈长捷统一指挥中央兵团各部队继续作战外，并电呈蒋介石，请求迅筹援军。蒋介石即派第22集团军之第41军由潼关一带兼程驰援。阎锡山也急令第94师及第177师之第529旅由五台山之耿镇、龙泉关一带星夜赶赴兰台镇、二十里铺间，归卫立煌指挥。
与此同时，日军汽车400余辆，满载步兵，由团城口西进。卫立煌遂决心固守阵地，以等援军到达，再行反击。乃令第217、第218旅分别撤至忻口附近集结；第54师界河铺北岸之一部亦撤至界河铺以南占领预备阵地。并以第19军军长王靖国为中央兵团总指挥，第61军军长陈长捷为副总指挥。是日24时，卫立煌又对部队部署作了调整，将部队区分为左地区队、右地区队、中央地区队（即原左、中、右翼兵团），分别配置于张家庄、灵山、界河铺、大白水、南峪之线阵地，待后续部队到达，再由两翼转移攻势，包围歼灭当面之敌。
17日至19日，日军陆空协同不断向中央集团军之灵山、南怀化东北高地、官村、大白水等阵地猛烈攻击。守军击毁其坦克、装甲车各20余辆，使日军攻击未能得逞。自20日起，日军先后对中央集团军各阵地施放大量催泪性毒气，并向守军阵地实施爆破。
22日，日军增援部队萱岛支队也投入了战斗。守军顽强抗击，并适时组织反突击，双方形成拉锯战，战至11月1日，守军虽“战斗员伤亡三分之二以上”，“日耗两团上下”＇中国第二历史档案馆：《抗日战争正面战场》上，1987年版，第510页。＇，但阵地仍巍然屹立。
还在日军准备向忻口进犯时，八路军各部队即根据中共中央军委和八路军总部的部署，向敌侧后展开了积极主动的攻击。第115师独立团于10月10日夜，攻占涞源县城。第120师之第358旅主力于10月8日，夜袭宁武县城。该师雁北支队于10月1日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）。接着该支队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。
当日军主力于10月中旬向忻口阵地发起攻击后，八路军向该敌两翼及后方广泛展开了游击战。
第115师之第344旅主力于10月13日至14日在平型关东北小寨村附近，断绝日军交通。
15日，截击由灵丘方向驶来的日军汽车130余辆，并打退该敌一个营的数次反扑，迫其退回灵丘。接着第344旅主力干当日夜袭团城口，随后收复平型关及浑源具城。第344旅之第688团于15日夜袭沙河镇日军，缴获大批粮秣和军用物资。
18日，该团又一举攻克繁峙。
第115师独立团和骑兵营等部，则向察南、冀西之敌展开进攻。15日，独立团于广灵以南之冯家沟设伏，歼灭日军步骑兵100余人，缴获满载军用物资的大车120余辆、骡马300余匹。16日乘胜收复广灵县城。随后收复灵丘、蔚县、易县、浑源、阳原等县城。向冀西挺进之骑兵营等部，于18日克复曲阳县城。至29日，骑兵营等部又连克平山、唐县、完具等城，严重威胁了日军平汉铁路北段的交通。
经20余天的作战，第115师先后收复县城10座，切断了张家口至代县间日军后方交通线。
第120师向进攻忻口之日军右翼及后方展开广泛袭击。其第358旅旅部率第715团于10月13日夜向崞县西南之日军进击，一举攻占大牛店。随即于14日乘胜向南北大常、永兴村之敌进袭，毙伤日军120余人。第358旅之第716团深人日军侧后，打击敌人的运输队。
18日，该团在黑石头沟公路两侧进行伏击，毙伤日军300余人，击毁汽车20余辆。
20日夜，又以一部袭占雁门关；另一部破坏了广武至大和岭间的公路及桥梁，一度切断了雁门关至忻口的交通。
第359旅（欠第718团）在日军向忻口阵地发起攻击之时，星夜由平山地区进至忻口西北侧击敌人。10月23日，该旅在阳明堡西南之王董堡伏击日军运输队，毁敌汽车7辆。此后，不断袭扰过往日军，使敌交通运输进一步陷入瘫痪。
由于第115师和第120师的积极作战，使进攻忻口之日军与大同、张家口的交通中断，粮、弹、油料等供应断绝，迫使敌人不得不借飞机来输送给养。卫立煌10月24日在给蒋介石的密电中称：“敌自雁门被截断，粮秣极感困难，现向地方征发杂粮中。”＇《抗日战争正面战场》上，第505页。＇
为此，国民政府军事委员会连电嘉奖，蒋介石于10月17日致电朱德、彭德怀：“贵部林师及张旅，屡建奇功，强寇迭遭重创，深堪嘉慰。”＇《民国档案》1985年第2期，第34页。电中所说“林师”指林彪任师长的第115师，“张旅”指张宗逊任旅长的第120师第358旅。＇
日军在地面攻击受挫，遂由代县西南之阳明堡机场频繁出动飞机，加紧了对忻口阵地的轰炸。此时，八路军第129师先头部队第769团，进抵滹沱河南岸苏龙口一带，发现日军飞机不断由北岸的阳明堡机场起飞，遂决定出其不意，夜袭机场。
10月19日凌晨，第769团各部队分别进至预定地区。担任主攻的第3营顺利偷渡滹沱河，潜入机场，发起攻击，经过1小时激战，共毁伤日军飞机24架，歼灭日军100余人，八路军伤亡30余人，营长赵崇德光荣殉国。
这一胜利，沉重打击了敌军士气，使日军在忻口战场上一时失去了空中力量。
八路军各部队的积极作战，切断了敌后方运输线，削弱了日军的进攻力量，大大减轻了国民党军正面防御的压力，起到了暂时稳定晋北战局的作用。
五、娘子关作战
娘子关位于平定县以东、井陉县以西之正太线上，为晋冀间要冲，是太原的东面门户。
日军在10月10日攻陷石家庄后，以一部继续沿平汉线南侵，而以主力第20师等部沿正太线西进，企图迂回忻口、太原侧后，配合其在忻口正面进攻的部队夺取太原。这样，娘子关地区的局势遂告紧张。
国民政府军事委员会“为确保山西，使晋北作战无后顾之忧。”在抽调第14集团军转用于晋北作战之后，又命令第1战区第26路军、第27路军、第3军及第17师等部转用于娘子关南北之线，以掩护第2战区之右侧。阎锡山于10月10日夜派副司令长官黄绍竑赴娘子关统一指挥作战。此时，第26路军除留第30师归第27路军总指挥冯钦哉指挥外，其余部队在第2集团军总司令（兼第26路军总指挥）孙连仲率领下入晋增援，正向太原输送中。冯钦哉将第17师配置于娘子关与雪花山一带；第30师及第169师在左翼之张家井、西板山、曹庄一带；第3军在右翼之九龙关、测鱼镇、北障城一带。
11日，守军尚未全部进入阵地，日军即开始发起攻击。第17师于井陉附近仓卒应战。
12日拂晓，日军以飞机支援，战至18时，井陉亦被攻陷。长生口、大小龙窝等地也相继被日军占领。据此，阎锡山急令孙连仲率部掉头东返娘子关，加强该线防守。
13日晨，日军继续西犯。大小尤窝之敌1000余人向第17师右翼旧关猛攻，战至14时将旧关攻陷。并陉之敌则向第17师正面雪花山阵地攻击，守军奋勇阻击，敌未得逞。为迟滞日军的进攻，当夜，第17师师长赵寿山率部趁夜幕向长生口之敌出击，正当部队攻击进展顺利之际，不意雪花山阵地被日军攻占。赵寿山立即调部队反击，激战至拂晓，部队伤亡逾千人，阵地仍未恢复，不得不退守乏驴岭一带。
在雪花山一带战况紧急之时，黄绍竑即令第3军主力向左转移，以策应第17师作战，其第12师于13日夜移至新关一带。与此同时，孙连仲率部抵达娘子关。
14日，第27师等部向旧关、核桃园及大小龙窝等地日军反击，曾一度攻占核桃园及大小龙窝。15日1时，阎锡山决定娘子关附近作战由孙连仲统一指挥，并限令16日消灭旧关之日军。15日拂晓，第12师向王家岭及旧关东南地区日军攻击；第27师围歼夫沟附近之敌。经两日战斗，守军共毙伤日军第20师之第77团团长鲤登行一上校以下500余人。
16日，守军向旧关等地日军发起全线总攻，战至19日，守军歼敌2000余人，攻击虽有进展，但自身伤亡已近5000人，且第17师阵地乏驴岭被日军攻占，遂不得不停止攻击，撤回原阵地。
日军对忻口正面攻击受阻，娘子关方面攻击进展缓慢，其华北方面军遂令第1集团军“部署精锐的一部迅速突破正太线方面的敌阵地。”此外，命令第109师的一部“21日入列第1军的指挥下，以协助攻占太原平原。”据此，第1集团军司令官于“19日命令第二十师以全力击败当面之敌，攻占阳泉平原；又在21日部署归其指挥的第一百零九师的一部（称为“昔阳支队”），沿赞皇——九龙关——昔阳大道进攻昔阳。”＇〔日〕《中国事变陆军作战》（1），朝云新闻社，1983年版，第369～370页。＇
第20师根据上述命令，将部队分为两个纵队：以右纵队沿井陉—新关—石门口大道及其以北攻击；以左纵队沿微水镇（今井陉县城）—测鱼镇—石门口大道地区前进。
自21日起，日军增援部队逐次到达娘子关一带，以步、炮、空联合，向守军阵地展开了全线攻击。守军将士虽经顽强抗击，但因连日血战，部队减员过重，致使防线多处被日军突破。为此，孙连仲于22日电陈阎锡山，请速调生力军增援。
在此紧急情况下，八路军总部命令第129师火速向娘子关东南敌之侧后挺进，寻机歼敌，配合友军阻止日军西进。该师于10月18日抵达平定以东。
20日至24日，先后在长生口、东石门、马山村等地，打击进犯之敌。
25日，第129师师长刘伯承决定以第386旅伏击日军第20师约1000余人的辎重队。26日拂晓前，旅长陈赓令第772团第3营在七亘村至甲南峪间地区设伏。9时许，敌进入伏击区，第3营向其本队发起猛烈攻击，经两小时激战，毙日军300余人，缴获骡马300匹和大批军用物资，其余日军逃回测鱼镇。刘伯承判断日军辎重队必将沿原定路线继续西进，决定第386旅在七亘村再次伏击敌人。28日，日军果然以步骑兵400余人掩护其辎重部队经原道西进，11时许进入伏击区。第772团第3营突然发起猛烈冲击，战至黄昏，歼日军100余人，缴骡马数十匹，再次打击了进犯之敌。
然而，对娘子关方面的防御，一直没有引起国民党军事当局的高度重视，毛泽东在忻口战役开始前提出的预置重兵加强娘子关防守的建议，也没有被完全采纳，直至日军逼近后，才调部队进至娘子关仓卒组织防御。加上国民党军“在战略上处处防守，兵力分散，此打彼看，不知呼应。紧张方面紧打，兵力不足；无敌地区无事，游兵闲散。”＇蒋纬国：《抗日御侮》第4卷，第231页。＇ 以致未能有效地阻止敌之进攻。
10月26日，娘子关失陷，守军全线撤退。
30日，日军占领阳泉、平定后沿正太路及其南侧大道向太原、榆次继续进犯。晋东战局急转直下。
为了打击进犯之敌，阻止和迟滞日军的西进行动，八路军总部于10月28日率第115师师部及第343旅由五台地区南下，30日抵达平定西南地区，统一指挥第129师及第115师主力，向沿正大路西犯之敌展开了连续的作战。
11月2日，第129师之第386旅在师长刘伯承、旅长陈赓指挥下，于昔阳东南之黄崖底一带，伏击由东冶头向昔阳进犯之敌第109师第136团一个营。共毙伤日军300余人，战马300余匹，八路军仅伤亡30余人。
第115师师部及第343旅在师长林彪率领下，则进至昔阳以西之沾尚镇地区，待机歼敌。
11月4日，日军第20师先头两个团通过广阳进至松塔镇，其辎重队及一个营进至广阳。第343旅在旅长陈光指挥下，对敌辎重队发起猛烈攻击，经4小时激战，歼日军近1000人，缴获骡马700余匹、步枪300余支及大批军用物资，日军遭此打击后，不敢贸然西进，已进至松塔镇的两个团被迫回返广阳。
7日，第129师主力在第115师一部的配合下，又于广阳以东之户封村地区设伏，毙伤日军250余人。
八路军在黄崖底、广阳、户封村等地连续地伏击日军，予敌以沉重打击，从而迟滞其行动达一星期之久，掩护了沿正太路撤退的国民党军。
但是，从娘子关方面后撤的国民党军已不能组织有效的防御。致使平定、阳泉、寿阳于10月30日至11月2日相继沦陷。忻口、太原处于日军大包围之中。
六、太原保卫战
太原是山西省首府，由于娘子关方面作战的失利，使太原危在旦夕。阎锡山为集中兵力固守太原，遂决定忻口守军全线撤退。根据阎锡山的指示，卫立煌于11月2日下令，对部队的编成、任务区分作了明确的规定。其要旨如下：
以第15、第17军（欠第21师