为了牵制日军，配合南怀化我军的战斗，曾两次出击卫村，未能把敌人赶走。日军便用飞机轮番轰炸，诩大炮猛轰，接着便是敌人步兵冲击。中国守军凭借工事和昂扬的斗志，一次又一次地打退了敌人。日军白天摧毁了中国守军的工事，夜间又被中国守军修复起来；有的阵地白天丢了，晚上又被中国军队夺了回来。最多的一天，日军向朦腾阵地发射了520多发炮弹。中国守军仍然令人难以置信地守在被炸得面目全非的阵地上。
板垣征四郎的部队向膜腾进攻的同时，也向大白水、小白水发动了进攻。这里是李默庵14军第10师第58旅防守地带。
战斗一开始，日军便对小白水使用了坦克，由于部队没有打坦克的经验，又没有平射炮，第57团的2营受了相当大的损失，退出了小白水，在大白水村的左翼1500米的丘陵地带，构筑工事，占领阵地。57团第3营接2营阵地，守正面；第1营接第3营阵地，守卫大白水的右翼，这些部队的装备比较强，每个营配有27挺轻机枪，6挺重机枪，2门82迫击炮，250支步枪，另外还临时配备了2门37平射炮。
日军在大白水阵地反复侦察之后，便在飞机大炮掩护下，以十几辆坦克作先锋，向第2着发起进攻。
中国守军利用为数不多的平射炮打毁敌人的坦克，用机枪、手榴弹打退了日军的一次次攻击。
在忻口左翼阵地大白水一带，日军攻不过去，再往西，是一片连绵不断的高山，更走不通。在忻口的右扫大小灵山7带，山势更陡，也走不通，板垣征四郎还是要走中央突破的路。郝梦龄第九军防守的南怀化一带，便成了战斗最激烈的战场。
忻口西北一个高地被敌人占领了，这对南怀化阵地是一个威胁。卫立煌给2i师师长李仙洲下令：“要尽一切力量夺回高地，全歼敌人。”李仙洲率苗瑞林的62团向敌人发起进攻。敌人凭借其火力优势，顽固抵抗，久攻不下。
李仙洲亲自上了第一线，官兵们士气大振，一鼓作气夺回了高地。李仙洲胸部中弹也负了重伤。
南怀化东北的一个高地又被日军攻占了，郝梦龄命令独立第5旅旅长郑廷珍收复这座高地。他相信这个血性大汉能完成任务。
果然，郑廷珍带着队伍一阵猛冲，高地重新夺了回来。
日军攻占了南怀化，向左右扩展成一个400米左右的口子，如果不封住这个口子，日军便有突破中央地区阵地的危险。阎锡山告知卫立煌，愿出50万元赏金，要求收复南怀化阵地。
这个赏格对于守卫中央地区的郝梦龄是一个沉重的压力。他组织了两路部队，依靠各高地的掩护，准备夹攻南怀化。
他与参谋长在行动之前，再一次检查了全部部署，在他认为捕意后，稍为松了一口气。就在这个时候，翟洪章送来了报告，说是敌人正向他的阵地压来，要求增援。郝梦龄知道那里已经把营编成了连，人力单薄，应该。可是他手头没有兵力可调。整个322团已经由2000人缩编为900人的队伍，不但翟洪章那里困难，与他相邻的几个阵地都是困难的。现在，不是拼人力，拼武器，而是拼勇气。独立第5旅已经夺得了南怀化东北的高地，也是对翟洪章方面的一个支援，更是对进攻南怀化的掩护。郝梦龄看报告后只批了两行字
“站在哪里，战在哪里，
生在哪里，守在哪里。”
对南怀化的进攻还未开始，郝梦龄查问了独5旅阵地情况，报告一切良好。郝梦龄对参谋长说：“只要这块高地在我们手里，就好办。”
他的话才落地，独5旅来了一个电话，郝梦龄抓起了话筒，他以为自己听错了，又追问了一句：
“你说什么？”
“郑旅长阵亡了！”对方说。
郝梦龄强忍着悲痛下令：
“由李团长代理旅长，坚守阵地。”
入夜，进攻准备开始的时候，郝梦龄接了卫立煌的电话：南怀化是第九军阵地锁钥部位和与友军的接合部，敌若绕过前进阵地突破主阵地前沿，将对整个战局影响甚大，必须收复。
郝梦龄寻求着必胜的途径。他认为这一仗不应该在后方指挥，应该到最前线去指挥。他对54师师长刘家祺说：
“这一仗不是一般的仗，是必胜的仗。也不能按平时的指挥办法，坐在后方。今天，我要到4团去，参谋长看电话。”
“那我随军长一同去！”刘家祺说。
10月16日晨时，郝梦龄与刘家棋携同参谋人员到了四团指挥所。
郝梦龄来到守卫高地的官兵中间大声他说：“先前我们几千弟兄守这个阵地，现在只剩100多人还是守这个阵地，就是剩下1个人，也要守这个阵地。我们一天不死，抗日的责任就不算完。我出发前已在家里写了遗嘱，不打败日本决不生还。现在我和你们一起坚守阵地，决不后退。我若先退，你们不论是谁，都可以枪毙我！”
官兵们听了军长慷慨激昂的话，士气大振，奋臂高呼：“誓死坚守阵地！”
郝梦龄在前沿指挥所指挥部队向南怀化方向运动，准备发起攻击，夺回这个要地。
这时，日军已经发现了中国军队的动向，机枪、山炮猛烈地射击起来。南怀化的周围马上一片炮火，中国军队猛烈进攻，日军负隅顽抗。四周的部队进展不大，两方相持不下。郝梦龄认为这正是独5旅从高地下压歼敌的好机会，却不见5旅的出击，郝梦龄把跟前阵地上的翟洪章叫了过来。
“此地通5旅最近的路是哪条路？”郝梦龄问。
“由这里到5旅，必须经过一段被敌人火力封锁的小路，长有20余米。敌人在小高地上有4挺轻机枪。昨天有4名传令兵牺牲在那里了。夜间过，危险小些，白天无论如何不能过。现在，天已大亮，最好不要去；一定要去，请绕个远路。”翟洪章说：
“时间已经晚了，再绕远路，要误事的。”郝梦龄说。
“那么，请你写一道命令，派人送去，不是也可以么？”
“亲自去，效果大。不能事事靠别人。”
“军人，那……”
“不要紧！”郝梦龄知道翟洪章要说，那太危险，他微微地笑了一下，诙谐地说道“瓦罐不离进口坏，大将难免阵前亡。你好好地守住阵地吧！”
郝梦龄、刘家祺和随从人员，拉开距离，向敌人火力封锁的小路口上走去了。
阵地上的日车清廷地看见了几个肩章领章金光耀眼的中国军人走来。
一阵机枪的响声……
郝梦龄身中10余弹，倒在血泊之中。刘家祺急步向前，抢救军长，还没迈出一步，也倒在血泊之中。 独5旅李代旅长闻讯之后，急步赶来抢救。也被敌弹夺去了生命。
短短几分钟内，郝梦龄军长、刘家祺师长、李代旅长都先后献出了自己的生命。
在郝军长的衣袋里，有一封尚未发出的致友人的信：
“余受命北上抗敌，国既付以重任，视我实不薄，故余亦决不借一死以殉国，以求民族生存。此次抗战，誓当以沙场为归宿。”
士兵们把郝梦龄、刘家祺的遗体抢下来，运到了忻州。卫立煌已经向蒋介石发了电报，报告了这不幸的消息。
卫立煌用柏木棺材把郝军长、刘师长装殓起来之后，送到了太原，各界军民人等沿路致祭。然后转送到武汉。11月15日武汉各界举行追悼大会，全市下半旗致哀，武汉行营主任何成浚代表蒋介石主祭，献花圈，宣读祭文，以国葬仪式将灵枢葬于武昌洪山卓刀泉。
国民政府下令褒扬郝梦龄、刘家祺、郑廷珍三将军。褒扬令称：
“陆军第9军军长郝梦龄、第54师师长刘家祺、第5旅旅长郑廷珍，矢忠革命，夙著勋勤。率次奉命抗战，于南怀化之役，率部鏖战，历五昼夜，犹复身先士卒，奋勇无前，竟以身殉。眷怀壮烈，轸掉弥深，应予特令褒扬。郝梦龄追赠陆军上将，刘、郑各追赠陆军中将，并交行政院转饬从优抚恤，生平事迹存备宣传史馆，用彰勋荩，而重永久。”
蒋介石的祭文如下：
“呜呼！岛夷蛇豕，荐食上国，既噬台鲜，又攫东北。贪婪无厌，兵压平津，陷察攻晋，谓我无人。娇娇郝君，一军独领，身先士卒，纵横驰聘。刘君继踪，如影随形，我师生力，万钧雷霆。方其赴敌，宁惜一死，挺身杀贼，誓雪国耻。枪林弹雨，与寇偕亡，士气大振，无忝炎黄。呜呼！寄生天地，百年瞬息，正命沙场，垂名无极。惟念二君，千里庭趋，九原有知，遗恨欷欲。家室子女，存问昕夕，凡兹善后，生者之贵。神皋禹甸，寸土寸金，有寇无我，人同此心。仗兹精诚，虏入吾掌，一尊妥殓，尚其来享。”
腹背受敌，卫立煌忍痛“走麦城”
忻口会战杀得天昏地暗，双方军队伤亡惨重，中国军队郝梦龄将星陨落，晋绥军第19军、第35军、第61旅等数10个团战斗最激烈时，在正面2里宽的战线上，从拂晓到黄昏，一天之内就损失了10个团的人马。在长达23天的会战中，日军受到重创，死伤也在万人左右。第5师团、第42联队等部队被歼灭。
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阎锡山在指挥忻口会战期间，曾和晋军将领扬爱源、孙楚等人，每日下午乘坐小车，亲临前线坐镇，并调遣一个宪兵大队，随执法总监张培梅在前线督战。
南怀化战斗继续在激烈进行，郝梦龄遗留下来的中央兵团总指挥职务，由陈长捷继任，陈长捷打得很坚决，在南怀化以南，双方展开了拉锯战。中国守军顽强奋战，寸土不让，晋军用太原兵工厂自制的80000多发炮弹猛烈回击日军，山西造的手掷弹、手雷也发挥了极大威力，日军无数次冲击，都被守军打下去了。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，和士兵们一起在战火中穿梭。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。在华北战场上演出了一幕前所未有的全民抗日的壮烈场面。
朱德、彭德怀指挥的八路军，为了配合忻口会战，在敌后广泛开展游击战。第115师连克雁北、冀西的灵邱、涞源、阜平等城，截断了忻口之敌与后方的联系。第120师在晋北、晋西北进行了几十次战斗，几度占领雁门关，截断了大同、雁门关一带的日军交通补给线。第129师进军代县，在忻口日军阵地后方袭扰，给忻口日军造成威胁。
忻口的战斗在激烈进行，中国守军上下一心，不怕牺牲，但是，在日军优势装备面前，中国军队明显处于劣势。中国军队没有空军，支援高射炮又很少，日机大摇大摆地在中国守军阵地上空俯冲扫射、投弹，守军伤亡惨重。卫立煌接二连三给南京发电，要求派空军前来助占。
守军眼巴巴地眺望天边，盼着涂有青天白日的中国空军飞机出现。左等右等，南面天边终于出现了3个小黑点，接着又是3个。6架飞机呼啸着掠过中国守军的头顶，向日军阵地俯冲投弹，日军阵地顿时腾起阵阵炸弹爆炸的浓烟。
还没等中国守军阵地的欢呼声落地，成群的日机像蝗虫一样围了上来，中国空军飞机一看寡不敌众，掉头就跑，从此再也不露面了。日军飞机从此更加肆无忌惮。
八路军129师769团24岁的陈锡联团长来到代县以南的滹沱河东岸，见日军飞机从早到晚不断从附近飞往忻口轰炸，就化装成老百姓，亲自下山去侦察。一出沟口，就看见了日军新建不久的阳明堡临时机场。于是，决定夜袭机场，炸毁敌机。
10月19日夜里，八路军1个连趁黑夜突袭日军机场，将停在机场的24架飞机全部焚毁。
从此，中国守军阵地上一连数日见不到日本飞机肆虐的影子，在一段时间内解除了中国守军的空中威胁。卫立煌对八路军的战绩赞不绝口。阎锡山也以第2战区司令长官的名义对八路军明令嘉奖。
日军自忻口战役开始以来共发起6次总攻，中国军队凭着血肉之躯抵挡日军的飞机大炮，付出了高昂代价。陈铁的第85师是卫立煌的最基本的队伍，也是忻口战场上中国方面装备最好的1个师。从左翼调到南怀化正面以后，日军发现从没见过的戴钢盔的中国兵来了，集中空军的炮兵猛烈轰击。打了几天，最后只剩下1营人了。
但是从10月24日开始，战场形势发生了变化，日军出动的战车大为减少，炮击也减少了。虽然又有飞机出动，但是只是向日军阵地空投军用品。
原来，因为八路军在敌后切断了日军的后方供应线，使日军的汽车、弹药、粮食供应不上，战车自然动不了，大炮成了摆设。这段时间，日军师团长受伤，旅团长战死，日本华北派遣军总司令寺内寿一不得不亲自飞到忻口前线为部下们打气。
眼看着忻口战役僵持不下，日军被迫放弃突破忻口占领太原的计划，改由正太铁路西进。进攻娘子关。
原先在平汉线上的第1战区刘峙等，畏敌如虎，第一次从永定河一线一退数百里，退到了平山滹沱河一线；第二次又是一退数百里，退到河南安阳漳河一线。平汉线上中国军队的迅速溃退，使日军兵不血刃占领石家庄，山西东面的门户娘子关外的大门就此敞开了。
指挥娘子关方面守军的第2战区副司令长官广西将领黄绍，自己没带一兵一卒，率领川峡、云南等省部队8个师，一字排开，分散配置在从北到南150公里的一条防御线上，没有重点，没有后备力量。结果日军先攻旧关，突破一点，全线就崩溃了。日军川岸师团没费什么劲就从正面拿下了娘子关。
在忻口战役开始时，卫立煌有过歼灭板垣师团于云中河谷的设想。交锋不久，他就发现这一计划显然难以完全实现。如今硬拼下来，没想到真的来了转机，八路军在敌后和卫立煌指挥的会战大军南北夹击，形成了对日军南北包围的态势，顿时，使正面战场的中国守军活跃起来。