在平型關戰斗中，由于正面布防的友軍沒有按預定計劃出擊，失去了消滅更多敵人的機會，平型關正面的日軍得到從渾源南下的日軍的增援，穩住了陣腳。同時，內長城線上日軍突破茹越口和陽方口，從東西兩側向雁門關迂回。10月2日，雁門關失守，對太原形成強大威脅。太原是山西的首府，其政治、經濟、軍事上的戰略意義相當重要。日寇一旦占領太原，可沿同蒲路直下黃河，進逼潼關，威脅西安。

10月1日，日本參謀本部命令其華北方面軍，“以一部兵力在山西省北部作戰占領太原”。華北方面軍當夜下令第五師集結代縣，擔任攻占太原任務，并命向保定轉進之第九旅抽出兩個大隊，經平綏線運至大同歸還建制。為統一晉北作戰指揮，將位于內長城以南的關東軍察哈爾派遣兵團等4個半旅，劃歸第五師師長坂垣征四郎指揮。這樣，晉北日軍共約3個師，7萬余人，虎視眈眈對準太原。

蔣介石和閻錫山為挽救山西戰局危機，保衛太原，決定利用忻口進行正面防御，阻敵南下，于是著名的忻口、太原會戰開始了。

(一)忻口作戰

為阻止日軍南下，蔣介石和閻錫山以衛立煌為前敵總指揮，調集4個集團軍首先組織忻口會戰。忻口右托太行山，左倚云中山，地勢險要，是太原北面的最后一道門戶。中國軍隊防御的具體部署是：以衛立煌率領的第十四集團軍組成中央兵團，扼守崞縣、原平至忻口一帶地區;以朱德率領的第十八集團軍(即八路軍)，在五臺山至峪口一線設防，阻擊敵人;以楊愛源率領的第六集團軍，在寧武山區的黑峪村至陽方口一線占領陣地;以傅作義率領的第七集團軍為預備兵團，控制定襄、忻縣、太原一線并機動。

為爭取忻口作戰的勝利，中共中央軍委主席毛澤東，曾就忻口作戰的方針，于10月6日，向第一、二戰區和南京軍事當局提出建議。毛澤東判斷，進入山西之敵總數不過兩個半師團，敵在沿途須分兵守備。因此，到達忻口一帶作戰者不過一個師團左右。如果我方部署適當，有可能破壞敵之進攻，甚至逼敵部分地后退。他指出此戰役的關鍵在下列三點：(一)娘子關、九龍關的堅守。敵占石家莊后，將向西進攻。故上述二關須集結重兵堅守，以使主力在晉北取得勝利;(二)正面忻口地區之守備與出擊，出擊是主要的;(三)對敵后方及交通線之破壞。并命令八路軍第一一五、第一二〇、第一二九師全力協助友軍作戰。

根據毛澤東的指示，朱德、彭德懷于10月6、7日，令第一一五師協同友軍向平型關、大營鎮之敵進攻，相機襲取渾源、應縣，斷絕茹越口、繁峙之間的交通;令第一二〇師以主力向岱岳鎮(今山陰縣)以西山地出動，斷絕大同與雁門關之間的交通，以第三五八旅主力配合友軍夾擊寧武以南之敵;令第一二九師主力進到正太鐵路之壽陽、平定地區，積極鉗制與打擊西進之敵。

10月1日，日軍混成第二旅千余人由繁峙向陽明堡進攻，與中國第十九軍一部激戰，侵入陽明堡。2日，在飛機支援下開始進攻崞縣。4日，日軍混成第十五旅由崞縣迂回，向原平鎮猛攻。第二戰區長官部為使主力部隊有充裕時間集結忻口與敵決戰，下令“死守崞縣、原平，以待后續部隊到達”。5日、6日兩日，日軍集中炮火對崞縣中國守軍猛烈轟擊，陣地被毀殆盡，第十九軍第四〇七團官兵傷亡極為慘重。7日，圍攻崞縣之日軍增加到五六千人，以飛機20余架、野重炮30余門對縣城狂轟濫炸達6小時。第四一〇團從團長到士兵，全部陣亡。入夜，中國守軍各高級軍官率所部親自參加堵擊，日軍仍有增無已，無法挽回敗局。8日凌晨，崞縣陷落。

堅守原平鎮的是第三十四軍第一九六旅，雖兵力單薄，但士氣旺盛，官兵們誓與陣地共存亡。旅長姜玉貞接到死守原平的命令后，立刻進行部署。各部隊剛剛進入陣地不久，日軍就尾追上來。進入原平的是坂垣師的主力，天上有飛機掩護，地上有大炮、坦克開路，可守軍只有為數不多的迫擊炮。原平又是一座小城，沒有堅固的工事。但是，他們必須堅守陣地7天。

日軍從10月1日起就用大炮開始猛轟守軍的陣地。6日增加兵力，并以飛機、炮兵支援，反復進攻，均未得逞。日軍惱羞成怒，動用飛機大炮輪番轟炸，開動坦克在陣地前橫沖直撞。中國守軍的工事被炸塌，被迫進入城內防守。日軍乘機占領原平城的東半部，中國守軍死守原平城的西半部。兩軍一街之隔，展開激烈的巷戰。一直堅持到10月7日堅守任務完成后，姜玉貞帶領全旅官兵又苦撐了3天。11日下午接到撤退命令，姜玉貞才帶領殘部從日軍比較薄弱的城西一角沖了出去。他手掄大刀，左砍右殺，殺得日軍抱頭鼠竄。眼看部隊就要沖過陣地了，一發炮彈落在姜玉貞身旁。這位忠勇將軍終于在堅守了11天的陣地上，流盡最后一滴血。

在崞縣、原平保衛戰激烈進行的同時，八路軍各部隊根據中共中央軍委和八路軍總部的部署，向敵側后展開了主動的攻擊。10月1日，第一二〇師雁北支隊襲占朔縣以北之井坪鎮(今平魯縣城)，4日又收復平魯縣城(今平魯鎮)。接著對同蒲鐵路朔縣至大同段展開破襲戰，10日在辛莊伏擊敵運輸隊，隨即逼近大同。10月8日，第一二〇師主力夜襲寧武縣城。10日，第一一五師獨立團攻占淶源縣城。但崞縣、原平的相繼失守，使忻口處于日軍的直接攻擊之下。忻口是太原的大門，此處倘若不保，日軍就可長驅南下，直抵太原。10月12日，中國左、中、右三路集團軍已到達忻口附近占領陣地。閻錫山又命令傅作義率領預備集團軍第三十五、第六十一軍、獨立第二旅、第三旅等部開赴忻口，加入中央集團軍作戰。同時調整軍事部署，將中央集團軍分為三個兵團，以劉茂恩指揮第十五軍、第十七軍、第三十三軍等部，組成右翼兵團;以郝夢齡指揮第九、第十九、第三十五、第六十一軍等部，組成中央兵團;以李默庵指揮第十四軍及第六十六、第七十一、第八十五等師，組成左翼兵團;以衛立煌為前敵總司令，統一指揮三個兵團在忻口一線作戰。

13日晨，日軍出動30余架飛機和大批坦克、火炮掩護步兵5000余人，對中國軍隊忻口防線實行中央突破，猛攻南懷化陣地。14日，南懷化至靈山的主陣地被敵突破。16日，衛立煌調5個旅反攻南懷化。中國守軍奮勇抗敵，曾一度將侵入南懷化之勁敵殲滅。在艱苦的攻守激戰中，中路兵團指揮官第九軍軍長郝夢齡、第五十四師師長劉家麒、第五旅旅長鄭廷珍壯烈犧牲。

郝夢齡原在大后方學習，他主動要求上前線，臨行時已“抱定犧牲”之決心，在戰斗中率領部隊奮勇抵抗，犧牲時年僅39歲。人們從他的遺物中找到他在火線上留給夫人劇紉秋的最后遺囑，其中說：“余自武漢出發時，留有遺囑與諸子女等。此次抗戰乃民族國家生存之最后關頭。抱定犧牲決心，不能成功即成仁，為爭取最后勝利，使中華民族永存世界上，故成功不必在我，我先犧牲。……余犧牲亦有榮，為軍人者，對國際戰亡，死可謂得其所矣！”

郝夢齡犧牲后，中日雙方繼續在南懷化展開拉鋸戰。中國守軍頑強奮戰，寸土不讓。晉軍用太原兵工廠自制的8萬多發炮彈猛烈回擊日軍，山西生產的手擲彈、手雷也發揮了巨大作用，炸得日軍抱頭鼠竄，尸橫遍野。當地成百上千的老百姓自發地組織起來支援前線，抬傷員、挖戰壕，與戰士們一起穿梭在火線上。當守軍的手擲彈、手雷打光時，各村百姓紛紛將自己家藏的刀、矛、鋼叉等武器送給戰士們，和敵人展開肉搏戰。整個山西戰場出現氣壯山河的全民抗日局面。

在保衛忻口的戰斗中，八路軍在朱德的指揮下，在敵主力之側翼和后方，密切配合友軍襲擊敵軍。10月13日至14日，第一一五師第三四四旅在小寨村斷絕日軍交通，15日截獲敵援軍汽車130余輛，殲敵200余人，接著夜襲團城口，隨后收復平型關及渾源縣城。其六八八團還夜襲沙河鎮日軍，繳獲大批糧食和軍用物資。16日，第一一五師之獨立團和騎兵營，在廣靈南設伏，襲擊日軍，并乘勝收復廣靈、淶源、蔚縣、靈丘、易縣、陽原等縣城。18日，攻克曲陽縣城，同日，第三四四旅第六八八團還攻克繁峙縣城。19日，第一一五師之第三四三旅向繁峙守敵發起攻擊，也一舉攻克數城。至29日，騎兵營又接連收復平山、唐縣、完縣等縣城，對平漢路北段日軍交通造成了嚴重威脅。至此，第一一五師共收復縣城10座，切斷了張家口至代縣間日軍的后方補給線。

第一二〇師在日軍的右翼及后方支援友軍作戰，12日在崞縣十里鋪，13日在寧武，14日在大牛店、南北大常及永興村等地與日軍激戰，斃傷大量敵軍。特別是18日，第一二〇師第三五八旅在雁門關以南的黑石溝地區設伏，擊斃日軍300余人，擊毀汽車20余輛，并收復了雁門關，切斷了日軍的交通線。23日，第三五九旅還在陽明堡西南之王董堡伏擊日軍運輸隊，擊敵汽車7輛。通過不斷襲擾，使敵交通運輸線陷入癱瘓。

由于第一一五師、第一二〇師切斷了日軍的交通運輸，使日軍的物資供應頓加困難，不得不借飛機輸送給養。衛立煌于10月24日給蔣介石的密電即說：“敵自雁門被截斷，糧秣極感困難，現向地方征發雜糧中。”第一二九師也傳來勝利捷報。該師先頭部隊第七六九團在崞縣以東襲擊敵人翼側時，發現陽明堡地區日軍飛機頻繁起落，輪番轟炸友軍忻口陣地，遂決心夜襲該機場。為摸清機場日軍的防衛情況，該團在當地群眾的協助下，由團長陳錫聯帶主攻營的連以上干部，化裝成民工，混在修機場的群眾中，對機場情況進行了調查。他們發現敵軍機場上停放24架飛機，周圍設有防衛工事，200名日軍戒備森嚴把守。19日夜，第七六九團以第三營襲擊機場，以第一營鉗制崞縣之敵，以第二營為預備隊。第三營潛入機場后，突然發起攻擊，以密集手榴彈襲擊停機坪內的飛機。日軍守備隊從夢中驚醒，瘋狂進行反撲。僅經1小時沖殺搏斗，英勇的八路軍戰士就將停放于機場的24架飛機全部炸毀，殲滅日軍百余人，順利撤出戰斗。這一重大勝利使中國軍隊在忻口的作戰中大受裨益，頓時減輕了空中威脅。日軍地面部隊失去空中優勢的掩護和空中運輸補給，士氣更為低落，在十余天的進攻中毫無進展，傷亡慘重，處于進退維谷的境地。在這次偷襲中，八路軍傷亡30余人，營長趙崇德光榮犧牲。

國民政府對八路軍在保衛忻口的戰役中積極配合，并不斷取得奇勝非常滿意。10月17日，連發兩電表示嘉獎。第一封電報說：“接誦捷報，無任欣慰，著即傳諭嘉獎。”第二封電報的內容是：“貴部林師及張旅屢建奇功，強寇迭遭重創，深堪嘉慰，仍希繼續努力，以竟全功為要。”但是，八路軍在側翼的英勇作戰，并不能扭轉會戰主戰場全局的局面。以后因晉東娘子關的失守，忻口守軍不得不全線撤退。

(二)娘子關作戰

日軍在忻口以北受阻后，為使第五師擺脫困境，轉而加強晉東的攻勢。沿平漢路南下的敵人，在攻克石家莊之后，以第二十師團為主力，在第一〇八師、第一〇九師各一部的配合下，分左右兩路沿正太路西犯，相機奪取太原。

日軍的這一行動，使晉東娘子關地區的作戰頓時趨于緊張。娘子關為晉東之重要門戶，扼守在正太路上，倘若失守，則太原東邊門戶洞開，因而具有重要的戰略地位。在會戰開始前，毛澤東就指出了娘子關的重要性，建議國民政府派重兵扼守此地。然而這一重要建議沒有被國民政府完全采納，直到日軍逼近后，國民政府才加強了對娘子關方向的防務。第一戰區于10月9日令第二十七路軍、第二十六路軍、第三軍及第十七師等部趕赴娘子關。10日，第二戰區決定副司令長官黃紹竑赴娘子關指揮該方向作戰。

從10月12日起，日軍沿正太路西攻井陘、舊關，中國守軍雖頑強抵抗，未能阻擋日軍進攻步伐。14日，守軍第十七師等部向舊關以北要點反擊，曾一度占領核桃園等地，殲敵一部。經兩日激戰，共斃傷日軍500余名。15日，第二戰區決定娘子關方面的作戰指揮統由第二十六路軍總司令孫連仲負責。16日至19日，守軍多次向舊關附近要點攻擊，雖有進展，但在日軍地面、空中優勢火力下實施反擊，遭受嚴重傷亡，不得不撤回原地。此后，日軍后續部隊逐次到達，全線轉入進攻，中國守軍陣地多處被突破。22日，孫連仲急電軍委會，要求急調生力軍增援。

在此緊急情況下，八路軍總部令第一二九師火速向娘子關增援。該師于10月18日進抵平定以東后，即向娘子關東南日軍之側后挺進，尋機殲敵。22日夜，第一二九師第三八八旅第七七二團襲擊娘子關以東長生口之日軍，斃傷其30余名。此時，日軍左縱隊已迂回向平定方向前進。第三八六旅第七七一團即迎敵而進，23日在東石門阻擊敵人，斃傷日軍200余人;24日在馬山村等地襲擊敵人，斃傷其百余名。26日，第三八六旅旅長陳賡親率第七七二團在東石門以西設伏。當日軍第二十師輜重部隊800余人在其200余名步兵掩護下進入伏區時，伏擊部隊從大道南側的高地以猛烈火力襲擊敵人，隨即與敵人展開激烈搏斗。經2小時激戰，擊斃日軍300余人，繳獲騾馬300余匹和大批軍用物資。28日該團在七亙村再次伏擊敵人，斃敵百余名，繳獲騾馬數十匹。

由于日軍左翼迂回縱隊屢遭打擊，進展遲緩，進攻娘子關之日軍得不到策應，攻擊未奏效。25日日軍乘中國守軍換防之際，全線發起進攻。守軍猝不及防，連失陣地，26日娘子關失陷，晉東戰局急轉直下。日軍主力沿正太路及其南側，分數路西進，守軍接連后退，形勢危急。為阻止和遲滯日軍迅速西進，暫時穩定晉東戰局，八路軍總部于10月28日率第一一五師師部及第三四三旅由五臺南移，30日到達平定西南地區。11月2日，第一二九師第三八六旅在師長劉伯承、旅長陳賡率領下，于昔陽東南之黃崖底一帶伏擊，向昔陽進犯日軍一個營被斃傷300余人，戰馬300多匹。4日，一一五師第三四三旅在旅長陳光指揮下，對進至廣陽的日軍輜重隊進行攻擊，殲滅日軍近千人，繳獲騾馬700余匹、步槍700余支和大批軍用物資。7日，第一二九師主力還在第一一五師一部配合下，于廣陽以東之戶封村伏擊敵人，斃傷日軍250余人。與此同時，八路軍第一二九師和第一一五師還配合國民黨軍隊抵抗日軍的追擊，協助曾萬鐘部、鄧錫侯部和王奇峰騎兵第四師等突破日軍的包圍，脫離險境。

日軍于10月29日占領正太鐵路附近之平定，繼續西犯。11月1日，閻錫山命令忻口作戰部隊放棄陣地，向太原城北青龍鎮、天門關之線轉移，協同傅作義防守太原。11月6日，晉北、晉東之敵均迫近太原城下，從三面猛攻太原城垣。敵機輪番轟炸，太原城內一片火海，守軍傷亡慘重。7日，日軍東、北兩路在太原會師，對太原形成四面包圍。8日，日軍在飛機、大炮支援下，繼續攻城，突破城垣東北角及西北角。東北兩城守兵誓死不退，一面拼殺入城之敵，一面封鎖城墻各口。敵我皆爭取最后勝利，死亡異常慘重。由于守軍的奮勇截擊，將進城之敵擊退。黃昏后，日軍向城內空降大批兵力，并四出襲擊。21時，守軍不得不從南門突圍，太原城遂陷于日軍之手。

忻口、太原保衛戰堅持了1個多月。由于中國軍民(包括國民黨軍隊和共產黨軍隊)的英勇戰斗，給日軍精銳的坂垣第五師以沉重的打擊。此次戰役，共斃傷日軍兩萬之眾，中國守軍傷亡約7.5萬人(其中八路軍傷亡約6000人)。這一戰役雖因國民黨軍事當局在作戰指導上有嚴重失誤，導致娘子關作戰失利，使日軍得以由被動轉為主動，攻占了太原，但仍不失為華北地區抵抗最堅決、最持久，戰績最顯著的會戰之一，而且是國共雙方軍隊配合得最好的一次會戰。