當上海戰事逐步擴大時，中國最高統帥部一度忽視了山西戰場。
在山西與河北的交界處，太行山縱貫南北，居高臨下地俯視著整個華北地區。自古以來，山西便是華北的西部屏障，控制了山西就等於在製高點上控制了華北。因此，要確保華北就必須確保山西，而攫取華北也必須控制山西。 ——華北日軍從戰事一開始，便將主攻方向放在了晉北，依據的就是這一軍事常識。
但是，南口戰役結束後，當平綏路上的日軍大舉向山西推進時，蔣介石卻把位於第二戰區的湯恩伯的第十三軍調往了淞滬方向。對此，閻錫山表示嚴重不滿，稱其“急其所緩緩其急，何異補瘡把肉剜”。共產黨人對此也有異議，認為蔣介石“沒有清楚認識到保衛山西的重要戰略意義，未能以更多的精銳部隊首先使用於山西的保衛，這是後來山西失利致使整個華北局勢處於不利的一個重要原因”。
日軍攻破平型關和雁門關後，攻勢直指太原，蔣介石這才意識到山西對於全國戰局的重要性：“我們與日本人打仗，不怕從南方打，也不怕從北方打，最擔心的是日本人由盧溝橋入山西，再經漢中，入四川。”蔣介石擔心的是中國抗戰後方的安全——戰爭剛剛開始，如果沒有了後方，仗還怎麼打下去？
日軍第五師團師團長板垣徵四郎急欲占領太原。
按照戰爭初期日軍參謀本部的意圖，華北戰事應限定在華北的平原地區：“華北方面軍的作戰地區（不包括航空），大概定位連接石家莊—德州一線以北。”但是，板垣徵四郎認為，必須全面控制山西，至少要佔領太原：“攻克太原的作戰基本理論，是根據這個古來公認的'制伏山西就能製伏華北，制伏華北就能製伏全中國'而得出的。”板垣徵四郎的參謀美山要藏大佐說：“當時第五師團的官兵，幾乎都對這句話有一種魅力性的使命感，就好像是能用它來克服一切困難的一種咒語一樣。”
關東軍與板垣徵四郎的看法高度一致，即必須使用強大武力控制山西和華北。之後，迅速建立由日本人掌控的偽政權，以從根本上保障“滿洲國”的“國防安全”。日軍參謀本部最終同意了板垣徵四郎的請求，於一九二七年十月一日下達了攻擊太原的作戰指令。日軍華北方面軍隨即命令關東軍一部歸板垣徵四郎指揮；命令河北境內的日軍一部突破石家莊中國守軍的防線，沿正太路（正定——太原）向井陘方向發起攻擊，冊應第五師團。 ——井陘，位於河北的石家莊以西，山西的娘子關以東，是正太鐵路線上從河北通向山西的要衝。
閻錫山自太和嶺口撤退，剛一回到太原，就收到了蔣介石要求他堅守山西的命令，而且要求他堅守的時間越長越好——至少要一個月以上。為此，閻錫山請求將平漢線上的衛立煌的第十四集團軍調歸第二戰區指揮。蔣介石答應了。 ——閻錫山主動請求中央軍部隊進入他的山西地盤，這在以往是絕對不可能的。
衛立煌的第十四集團軍，中國陸軍的精銳部隊之一，至少看上去與閻錫山的晉軍完全不一樣：官兵清一色的深灰色軍裝，扛著清一色的七點九毫米口徑步槍。機槍也不少，甚至還有專門打坦克的德式山炮。大部分人操廣東或安徽口音，坐下來休息時不怎麼說話，行軍時愛唱歌，唱的是衛立煌填詞的《第十四集團軍軍歌》：
十月四日，衛立煌先於部隊抵達太原。
見到衛立煌，閻錫山不住地慨嘆“是咱把你求來的”。
第二天，閻錫山、周恩來、衛立煌、傅作義以及剛剛上任的第二戰區副司令長官黃紹竑等人一起討論忻口防禦問題。對於敵情，大家一致的判斷是：“敵以主力由大營、繁峙，以一部由大同、雁門沿汽車路進攻，另以一部由陽方口（位於雁門關西南）附近實行牽制攻擊，以使其主力攻擊容易。”因此，決定中國守軍依托東起五台西至寧武附近的山脈，以忻口以北各處要地為作戰支撐，縮短戰線、集中兵力對南下的日軍進行阻擊。具體部署是：以朱德的第十八集團軍為右翼，衛立煌的第十四集團軍為中央，楊愛源的第六集團軍為左翼，傅作義的第七集團軍為總預備隊。
因為日軍已經攻占了晉北要地，其攻勢的鋒刃筆直地向南而懸。這導致了閻錫山對於太原正北面的忻口過於警覺，而忽視了太原以東娘子關方向的防守。為此，毛澤東專門致電周恩來，委託他提醒閻錫山：華北的日軍佔領石家莊後，定會沿著正太鐵路向西進攻，因此娘子關方向必須派出重兵把守，這樣才能確保忻口戰場側背的安全。毛澤東認為，進入山西的日軍總數不過兩個半師團，為了確保晉北的各佔領區，日軍需要分出兵力守備。因此，攻擊忻口的日軍，頂多一個師團。如果我軍部署妥當，是有可能擊敗敵人的，但前提是娘子關必須安全穩固。否則，一旦華北戰場的日軍西進，只要通過了娘子關，不但太原近在咫尺，閻錫山還會因日軍的左右夾擊而被迫兩面作戰。 ——在忻口阻擊、後方襲擾與娘子關堅守這三個必須堅持的作戰要點中，毛澤東明確地將堅守娘子關放在第一位。
十三日，毛澤東致電周恩來、朱德、彭德懷：
……可否向蔣（蔣介石）程（程潛）閻（閻錫山）提議任命黃紹竑為娘子關、龍泉關沿太行山脈以東各軍（紅軍不在內）之總司令，以統一指揮確保娘子關。因娘子關不失則太原雖失仍可支持，如娘子關失守則華北戰局立即變為局部戰，失掉了全局的意義。須知華北戰局重點並不在太原，而在娘子關、龍泉關一帶之太行山脈。如太行山脈及正太路在我手，敵進太原如處甕中，我軍是還能有所作為的……
無法得知閻錫山對於毛澤東的提醒是否真正理解並給予過充分重視。儘管後來負責娘子關作戰的副司令長官黃紹竑依據毛澤東的提醒，將第一軍團孫連仲部調往娘子關作為預備隊，但從整個山西戰場的兵力分佈看，中國軍隊布防娘子關方向的兵力仍是過於單薄。後來的戰爭發展進程證明，毛澤東對娘子關的擔心不幸成為事實，從而令中國軍隊在山西戰場的作戰出現了令人扼腕的遺憾。
就在中國第二戰區製訂作戰計劃的時候，板垣徵四郎指揮日軍第五師團步兵第二十一旅團以及獨立混成第二、第十五旅團集結於代縣附近，之後開始攻擊崞縣和原平。
四日，日軍佔領代縣西南方向的陽明堡，繼續南下攻擊崞縣時，被中國守軍王靖國的第十九軍擊退。五日，日軍攻擊陽明堡以西的陽方口，中國守軍獨立第七旅與日軍徹夜激戰後，退守段家嶺、瓦窯一線，日軍佔領了陽方口以南的寧武縣城。下午，日軍獨立混成第二旅團逼近崞縣北關，第十九軍獨立第二旅的兩個團與日軍於城北混戰，在日軍猛烈炮火的打擊下，中國守軍陣地大半被毀，四〇七團團長劉良相、團附高振麟陣亡；第二〇五旅特務排和四〇七團殘部奉命發動反擊，但因部隊傷亡過重被迫退入崞縣城內。
日軍混成第十五旅團同日開始攻擊原平。
此時，衛立煌的第十四集團軍主力尚在車運途中，最早也要到八日前後才能抵達忻口戰場。這就意味著，原平和崞縣一線的中國守軍必須死頂不退，盡力遲滯日軍南下的速度。可是，就在這時候，閻錫山下達了向日軍全面出擊的命令，要求左、中、右三個方向的中國軍隊向當面日軍發起攻擊，騎兵部隊同時在大同附近切斷平綏鐵路以絕日軍後路。閻錫山的目的是對南下崞縣、原平的日軍實施圍殲——無人知曉，在主力部隊尚未展開時，何以能夠做到全面出擊。眼前最迫切的問題是：包括八路軍在內，中國守軍必須堵住南下的日軍，為主力部隊在原平以南、太原以北的忻口布陣，贏得必要的時間。
七日，日軍獨立混成第二旅團在二十餘架飛機、二十餘門重砲和三十餘門山炮的支援下，向崞縣發起猛攻。崞縣的城牆倒塌了十餘丈，中國守軍的工事全部被毀，城內的電話線路均被切斷，千餘日軍步兵在坦克的前導下開始了集團衝鋒。下午，東橋陣地上的四〇九團傷亡殆盡，四一〇團團長石煥然率殘部三百餘人前去增援，在路途中遭日軍衝擊全部傷亡。日軍從倒塌的城牆缺口蜂擁而入，中國守軍在殘酷的巷戰後殘部退出縣城。崞縣陷落。
這一天，在原平方向，日軍獨立混成第十五旅團與中國守軍第一九六旅形成對峙。
崞縣失守，中國軍隊失去了阻擊的支撐點，同時也失去了反擊的支撐點，這讓閻錫山發布的全面出擊的命令瞬間成為泡影。
八日，閻錫山命令忻口全線改為守勢。
毛澤東就八路軍各師作戰問題致電周恩來、朱德、彭德懷：
甲、完全同意週與程潛、閻錫山共商決定之作戰計劃。
乙、我五師全部除一部做地方工作者外，應速集中於台懷鎮以北，大營鎮、砂河鎮以南之山地，待敵被吸引於原平、忻縣地區並打得激烈時，襲取平型關、大營、砂河、繁峙線。得手後，交友軍佔領該線，我軍向北突擊，佔領渾源、應縣地區，開展新局面。
丙、王震部速歸還賀師建制。賀師全部除游擊支隊外，主力此刻應隱蔽於五寨地區，待原平正面打得激烈時，而我一一五師又已實施向大營、渾源行動時，即用主力出長城，襲擊朔縣、左雲一帶，與五師相呼應，搗亂敵人的整個後方。
丁、一二九師以一個團位於孝義，主力位於包括娘子關在內之正太鐵路側後，主要任務是動員工人及兩側農民，戰略上冊應林、賀兩師，鞏固後路。
戊、林、賀兩師原來劃定之地區，均應派遣必要之地方工作人員，有計劃地散開工作，於一定地區完成一定任務，不得因為主力作戰而置原定地區之地方工作於不顧。以上部署意見，請朱、彭速即考慮執行。
己、我軍部署僅能當面告訴閻錫山，不得用電報告訴他，並要閻不得下達於任何人，嚴防洩露。
在平型關伏擊戰取得勝利後，共產黨領導的八路軍在晉北前線受到了中國軍隊其他各路部隊的尊重。毛澤東特別要求朱德和彭德懷轉告八路軍所轄部隊的所有指揮員，一旦作戰中有“國民黨交給我們指揮之部隊”，八路軍應該“採取愛護協助態度，不使他們擔任最危險的任務，不使他們給養物資缺乏”，對他們要“多取商量，表示殷勤愛護之意，力戒輕視、忽視、譏笑、漠不關心”等錯誤態度。由於與八路軍同處一個戰場，閻錫山的晉軍官兵驚訝地發現，八路軍從官到兵都非常年輕，儘管武器簡陋，軍裝粗糙，但每個人都意氣風發、鬥志昂揚，他們得到了八路軍送來的小冊子——《抗日救國十大綱領》。
根據八路軍總部下達的作戰命令，十月一日，八路軍第一二〇師雁北支隊襲擊了朔縣以北的井坪鎮，克平魯縣城，並在辛莊附近伏擊了日軍運輸隊；八日，該師第三五八旅夜襲寧武縣城；十日，八路軍第一一五師獨立團克淶源縣城，該師第三四四旅在平型關附近斷絕了日軍的交通線。由於日軍主力部隊均已南下，晉北各處要地只能分兵守備。因此，位於敵後戰場的八路軍，利用日軍兵力薄弱之時，發揮襲擊戰和伏擊戰的優勢，多次殲滅日軍運輸隊，連續轉戰收復多個城池，“切斷了張家口至代縣間日軍的後方交通線”。
十月六日，蔣介石致電八路軍總指揮朱德：
捷報傳來，無任欣慰。襲敵側背，斷其聯絡，收效甚大。
希更發動民眾，擴大行動，使敵有後顧之慮，則於佔據更有裨益也。
十月七日，蔣介石再次致電朱德和彭德懷：
宋支隊（八路軍雁北支隊支隊長宋時輪）奮勇殺敵，收復井坪，殊為欣慰。若能擴大游擊，向平綏線山的行動，使敵感受痛苦，尤有意義。並希轉前方將士，代致嘉勉，為盼。
八路軍的作戰，完全是敵後戰場的孤軍戰鬥，因此部隊傷亡很大。
為此，國民政府軍事委員會第一部（作戰部）專就給予八路軍作戰獎卹問題，致電時任軍事委員會管理部部長張治中：
據第十八集團軍朱總司令德（陽曲）江（三日）電稱“職路進入戰鬥以來，以主力於平型關、雁門關、朔縣線之兩翼側外，另組織四個支隊襲擊敵之後方，截斷運輸，破壞交通，發動群眾組織，擴大游擊戰爭等為主要任務，計各支隊先後均有勝利。總共繳獲汽車八十餘輛，九二野炮一門，七三、七五山砲彈三千餘發，步槍三百餘支，機關槍二十餘挺，並斃敵千餘人。現淶源、廣靈、靈丘交通已被我完全截斷，敵不敢白日運輸。但我傷亡官兵六百餘名，內副團長、營長各兩名，務請頒給獎卹”等語，即希查照核辦，徑復為盼。
十日，日軍在原平縣城炮火轟開的城牆缺口處，不間斷地發起集團衝鋒，反复消耗撤入城內的中國守軍第一九六旅的兵力。中國守軍傷亡極重，彈藥殆盡，在慘烈的巷戰中，那些還活著的官兵在每一條街上每一處院內反复拼殺。第一九六旅領受的任務是堅守七天，現在任務已經完成，卻接到了要求再守三天的命令，因為忻口方向主力部隊的布防尚未完成。眼見部隊幾近打光，有官兵主張撤出原平，但旅長姜玉貞表示要與原平縣城共存亡。
姜玉貞奉命堅守原平後，光著脊梁，身背短槍，每戰必身先士卒，提著手榴彈和士兵一起衝殺。戰至十一日，原平縣城裡的殘剩兵力只有五六百人。倖存下來的官兵在沒有彈藥的情況下護送傷員出城，因為所有人都清楚原平城的失守已經不可挽回。只是，姜玉貞認為，只要他這個旅長還在，原平就不能算是失守。最後時刻，跟隨姜旅長留在城裡的，僅有特務排排長黃洪友和幾名士兵，幾個人堅守在一座院子裡。圍攻的日軍越來越多，砲彈直接落進院內，姜玉貞被炸倒。士兵們拖著從泥土中爬起來的旅長，從預先挖好的城牆洞口往城外轉移。轉移途中，姜玉貞的腿部被日軍的砲彈炸傷。他身材魁梧高大，士兵們難以背他行走，當日軍追上來時，他已因失血過多失去知覺，日軍的刺刀刺入了他的腹部。
日軍堵截了第一九六旅運送傷員的汽車，將兩百多名傷員全部刺死。
特務排排長黃洪友曾帶領士兵冒死返回尋找旅長的遺體，未得，大哭不止。
日軍查明這是堅守原平城的中國軍隊的旅長後，將薑玉貞的遺體拖走並將其頭顱割下。
姜玉貞，山東菏澤一個貧苦農民的兒子，沒出生即喪父，母親艱難地將他撫養成人。十九歲入閻錫山的晉軍，吃苦耐勞，作戰勇猛，先後進山西陸軍幹部學校和中央軍校高等教育班深造。一九三四年升任第一九六旅旅長，軍銜少將，陣亡時四十三歲。
中國軍隊第一九六旅，死守原平近十天，殲滅日軍近千人，全旅五千官兵僅存活二百餘人。
崞縣、原平的堅守，以及八路軍襲擊日軍後方的作戰，為第二戰區主力部隊於忻口一線的集結和布防爭得了寶貴時間。
忻口，“前往太原途中最後一處可守的山口”。
忻口實際上是一個位於忻縣、崞縣、定襄三縣交界處的大村落，南距太原約一百公里。東面的五台山與西面的雲中山，在這裡形成了一道縱貫南北的峽谷，峽谷中橫亙著一道長十六公里、寬三公里的山嶺，地勢十分險要。在山嶺北端右側的山腳下，即忻口大村落的北面，滹佗河從北邊流來，雲中河從西邊流來，在此匯合後繼續東流。被夾在兩山之間的忻口，猶如一個葫蘆口，自古便是出入晉中的重要交通孔道。一九三五年，國民政府撥專款在忻口修築了國防工事，並在忻口西南側一條名叫“紅溝”的山溝裡修築了數十孔窯洞以為戰時軍事指揮部。
截至十月十一日，忻口前線的中國守軍已全部進入指定位置，並佔領了預設陣地。
十二日，日軍由原平一線繼續南下。
閻錫山將裝甲車隊和空軍撥給前敵總指揮衛立煌，並重新劃分了各部隊的作戰任務和區域：右翼兵團由劉茂恩任總指揮，轄第十五、第十七軍和第九十四師；左翼兵團由李默庵任總指揮，轄第十四軍所屬第十、第八十三、第八十五師以及晉綏軍的第六十八、第七十一師；中央兵團由王靖國任總指揮，郝夢齡為前敵總指揮，陳長捷為前敵副總指揮，轄第九、第十九、第三十五、第六十一軍。
前敵總指揮衛立煌的具體作戰部署是：
（一）飛行隊於明（十三）日起逐日派機偵炸原平以南之敵，並偵查原平、崞縣、代縣間敵後續部隊之狀況。
（二）右翼兵團（第十五軍），應仍佔領上社村、營房裡、靈山之線，重點置於左後方，與中央兵團切取聯繫；並於下社子、東新莊、東西岔村各要點，配置警戒；另以一部向右前方對代縣以南地區盡量活動，確實掩護軍右側之安全，並以一部佔領南神頭、亭子頭以東高地，為爾後包圍攻擊之據點。
（三）中央兵團（第九軍——欠第四十七師、第二十一師、砲兵第二十八團、戰防砲二連、裝甲車一隊），仍應佔領三家莊以北、界河鋪、南懷化、新練莊之線，重點置於中央右後方，與右左兩兵團切取聯繫；並於板市、下王莊各處佔領前進陣地。
（四）左翼兵團第十四軍（第八十五師、砲兵第二十七團之第二營、戰防砲營——欠兩連、山炮一連）仍應佔領秦家莊、大白水、南峪之線，重點置於中央後方，與中央兵團切取聯繫；並於后城頭亙一四八二高地之線配置警戒。另一部向神山以南地區活動，確實掩護軍左側之安全。
（五）總預備隊的位置：第十七軍（欠二十一師）仍於西馮村附近地區；獨立第五旅仍於忻縣附近；第十九軍於石嶺關一帶，構築該線預備陣地。第一九六旅餘部於代群村附近集結，而後赴關城鎮歸建。
中國軍隊集結於忻口戰場的總兵力約二十八萬，除了中央軍嫡係部隊第九軍、第十四軍、第九十四師外，還有晉軍、陝軍、豫軍、東北軍、八路軍等部隊，還有砲兵八個團、騎兵四個師，以及可以支援作戰的空軍戰機三十架。
攻擊忻口的日軍，除了板垣徵四郎的第五師團外，還有原屬於關東軍察哈爾兵團的獨立混成第二、第十五旅團以及萱島高支隊和堤不夾貴支隊，共計約十五個步兵大隊，配屬坦克一百五十輛、大砲二百五十門、作戰飛機三百架，總兵力約五萬。
板垣徵四郎總是抱怨兵力不足，特別是他的第九旅團被抽調到杭州灣登陸去了，兵力更覺捉襟見肘。儘管華北方面軍司令官寺內壽一從擔負平津警備任務的第一〇九師團中抽出了兩個步兵大隊，再加上一個機械化步兵聯隊，命其增援山西戰場，但板垣徵四郎還是認為自己兵力薄弱。
板垣徵四郎知道，當面的中國軍隊必將與他死拼血戰。
十月十二日，日軍向忻口前沿進行嘗試性攻擊和潛進，中國守軍左翼兵團首當其衝。在飛機輪番俯衝轟炸後，三百多名日軍騎兵和四百多名步兵，同時向忻口西北方向一條弧形防禦線上的要地——蘭村、閻莊、衛家莊和一四八二高地——發起攻擊，隨即突破中國守軍於一四八中國守軍在砲兵火力支援下奮力反擊，擊毀日軍坦克四輛，致使突入陣地的日軍暫時後撤。戰鬥期間，中國軍隊左右兩翼兵團出動部隊，分別向廣靈、靈丘、代縣和崞縣進行敵後游擊作戰。中國空軍第七大隊也出動了四架戰機，在副大隊長吳沛的率領下從太谷機場起飛，飛臨崞縣上空偵察和轟炸向前運動的日軍，日軍出現混亂和傷亡，被迫退回。中國戰機返航時，一架因迷航撞山而機毀人亡，其餘三架安全降落太谷機場。
試探性進攻受挫後，日軍決定以混成第十五旅團、堤不夾貴支隊為右翼，第五師團為左翼，發起正式攻擊。
十三日拂曉，日軍先以一部實施火力偵察，然後開始全面突擊。由於中國守軍的左右兩翼有云中山和五台山阻擋，日軍集中了五千多步兵，在三十餘架戰機、五十餘輛坦克和五十餘門火砲的支援下，採取中央突破的戰術，向中國守軍第五十四師的南懷化陣地以及左翼兵團的閻莊陣地發起猛攻。戰至上午十時，南懷化沿雲中河北岸的陣地全被摧毀，中國守軍傷亡殆盡。由於增援不及時，日軍從撕開的缺口蜂擁而進，渡過雲中河，繼續向一二〇〇高地攻擊。第九軍軍長郝夢齡命令第二十一師師長李仙洲實施反擊。李師長身先士卒，親率六十三團衝鋒。
在日軍強大的火力面前，六十三團官兵傷亡巨大——“一上午就替換了幾個連排長，最後連伙夫也上陣地支援，運子彈、送傷員。”經過三天三夜的激戰，第二十一師擊毀日軍坦克十五輛，將突進來的日軍逼回了雲中河對岸——“我方終於收復了山頭。當攻上製高點時，敵人只剩下一名軍官和一名士兵。那名士兵往山下跑，被那個軍官一槍打死了，然後軍官自己剖腹自殺。”
左翼，日軍將攻擊閻莊的兵力猛增至三千餘人，突破了當面中國守軍第十師的陣地，雙方進入反复的爭奪狀態。
右翼，日軍九百餘人在原平以南的桃園附近渡過滹沱河，中國軍隊第六十四師的一個團前往迎擊，雙方陷於持續的激戰。
與此同時，八路軍第一一五師第三四四旅主力“夜襲團城口，隨後收復平型關及渾源縣城”；同一個晚上，該旅六八八團襲擊了砂河鎮的日軍守軍，隨後一舉向西攻克繁峙縣城。接著，八路軍第一二〇師第三五八旅七一六團以一部向雁門關日軍守軍發動襲擊，“一度切斷了雁門關至忻口的交通”。
“日軍似感受極大威脅，其重兵器有後撤模樣。”
衛立煌和傅作義判斷，當面日軍攻擊受挫，需要整理態勢並等待增援，之後才能重新發動攻勢，遂立即決定乘勢發動反擊。
衛立煌從忻縣前線指揮部致電閻錫山，告知準備動用預備部隊從中央兵團地域出擊。閻錫山立即命令左右兩翼兵團部隊向敵後運動，阻擊日軍的增援；命令左翼的第六十八、第七十一師加入中央兵團的作戰序列，以厚兵力。
衛立煌和傅作義共同策劃了反擊作戰的要領，即以郝夢齡的第九軍（欠第四十七師）附李仙洲的第二十一師，在現陣地抵抗日軍的進攻；以衛立煌的第十四集團軍由大白水附近、傅作義的第七集團軍由忻口附近聯合出擊，從左右兩路對當面日軍實施夾擊。
十四日凌晨一時，衛立煌下達了全線反擊的作戰命令：
一、右翼兵團，應以主力於明（十四）日拂曉向桃園、北郭下之敵攻擊，與第七集團軍密切聯繫，竭力威脅原平南北敵之增援部隊，並控制一部於峙峪附近，依情況進出於原平以北地區，截敵退路。
二、中央兵團，須於本（十三）日晚，殲滅侵入南懷化附近之敵，確保原陣地，為第七集團軍出擊之支援。
三、左翼兵團，應於明（十四）日拂曉，以主力逐次向永興村及其以北高地之敵包圍攻擊；一部先與第七集團軍協力擊滅侵入南懷化之敵後，再向王家莊、安家莊一帶攻擊。
四、第七十一師，著於本（十三）日黃昏前，接替閻莊、水油溝迄山水村一帶第十四軍及八十五師陣地之守備，並為該軍出擊的支援，爾後即歸第十四軍李軍長（李默庵）指揮。
十三日夜，參加反擊作戰的中國軍隊均已抵達忻口以北界河鋪附近的出擊位置。
從軍事角度上看，衛立煌的反擊計劃是正確和果斷的：以攻為守，在條件允許的情況下，不失為積極防禦的有效手段，而這種積極防禦的理念是抗戰爆發後中國軍隊最為缺乏的。
但是，此刻在忻口戰場發動大規模的反擊作戰，理應注意這樣一個前提：儘管當面日軍攻擊受挫，但未到無力攻擊的地步，也未到必待增援的境地。日軍在十三日攻擊未果的情況下，十四日也許會發動更大規模的攻擊，而重點很可能是中國守軍中央兵團的陣地，即目前李仙洲的第二十一師的陣地。 ——那麼，衛立煌是否想到過，一旦第二十一師既是日軍攻擊的主要方向，同時又是中國軍隊反擊作戰的主要方向——敵我兩軍迎頭相撞，將會出現何種景象？
無法得知當面日軍是否掌握了中國軍隊的情報——當中國守軍全面反擊作戰開始時，當面的日軍也同時發動了進攻。
凌晨二時，雲中河岸邊，中日兩軍瞬間就衝撞在了一起。
按照作戰計劃，董其武的第二一八旅向雲中河北岸撲過去。在通過河上的一座木橋時，受到當面日軍機槍的嚴密封鎖，四二〇團二營機槍連連長王星明等二十多名官兵陣亡。該旅冒著傷亡繼續攻擊前進吋，接到了增援南懷化陣地的命令。南懷化位於界河舖的西北方向，是中國軍隊忻口一線陣地的核心支撐點，陣地上的守軍是第九軍第五十四師第一六一旅。日軍在猛烈炮火的支援下，向第一六一旅三二二營的陣地輪番攻擊。三營出現嚴重傷亡後，一營增援而來，被迫與日軍展開殘酷的白刃戰。日軍突破了南懷化陣地前沿，中國守軍退入南懷化村中，後又退到村外的小高地上。為了封堵南懷化缺口，第九軍軍長郝夢齡親赴前沿督戰，指揮部隊連續反擊，與日軍在南懷化村幾進幾處。三二二團團長戴慕貞、團附趙子立以及三名營長身負重傷被抬了下去，全團傷亡已達千人以上。郝軍長命令董其武的部隊增援南懷化後，中國守軍在陣地前組織起突擊隊，輪番向日軍發動反擊，但南懷化陣地依舊沒能收復。郝軍長將還在陣地上的三二二團官兵進行了合編，他對這些已經苦戰多日的官兵說：“一天不死，抗戰任務一天不能算完。出發前，我已在家中寫下遺囑，不打敗日軍決不生還。現在我同你們一起堅守此陣地，決不先退。我若是先退，你們不管是誰，都可以槍斃我；你們不管是誰，只要後退一步，我立即槍斃他。你們敢陪我再次堅守陣地嗎？”官兵們齊聲高喊：“誓死堅守陣地！”合編後的部隊再次發起反擊，試圖收復南懷化陣地。日軍集中了三十多架飛機、三十餘輛坦克和數十門火砲向南懷化猛炸猛轟，致使中國守軍置於如雨的彈片中。三二二團二營副營長翟洪章，剛剛接替了一營長的位置，他帶領五名傳令兵躲進一個臨時挖出的掩蔽部裡，“不料一顆砲彈恰落其上。掩蔽部被炸塌，五名傳令兵全被炸死”。當翟營長從泥土中把自己刨出來時，發現“身上濺滿了鮮血和腦漿”。翟營長請求郝軍長增援，郝夢齡給他的回復是：“戰在何處，死在何處。”
第二一八旅派出四三六團前往增援南懷化。董其武率領著四二〇團繼續執行反擊作戰任務。團長李思溫命令一營營長張世珍部為主攻，三營後續跟進，二營為預備隊，全團衝進了位於南懷化西北方向的弓家莊。弓家莊里的日軍沒有想到中國軍隊會直接衝進來，慌亂中開始向村外逃，遭到預伏在村外的三營官兵的截擊，雙方混戰在一起，日軍死傷狼藉，三營七連連長楊子西、九連連長范希文等百餘名中國官兵陣亡。接著，第二一八旅繼續向東泥河村攻擊，將村里正在吃飯的日軍殲滅大半，可隨後就受到日軍坦克的反擊，部隊再次出現巨大傷亡，董其武旅長負傷。
此時，在忻口一線，中國軍隊中央兵團的所有陣地都已處在日軍不間斷的兇猛攻擊下。在彈片橫飛的前沿陣地上，一顆子彈射進了第二十一師師長李仙洲的左胸：
時至中午，我與郝軍長、莊村夫團長在半山腰觀察敵情。我正在與團長講話時，突然感覺有個東西碰了我左胸部一下，當時也沒在意，就同他們往山頂爬。郝軍長發現我背後有血，大聲說：“李師長，你受傷了！”我說：“沒事，好像是什麼碰了我一下。”“還說沒事！子彈都從你的背後穿過來了！”郝軍長說著給我吃了點白藥，這時我還清醒。當包紮時，我就昏迷過去不省人事了。
士兵們把李師長抬下山的時候，軍醫認為胸腔裡有瘀血沒有流出來，要求把昏迷的李師長頭朝下抬著以控出瘀血，士兵們不忍心這麼做，還是頭朝上抬到了後山師部。接著，李仙洲被轉送到汾陽一家美國教會醫院，院長親自給他做了手術，言子彈從左胸進入、後背出來時李師長恰在“呼氣之瞬間”——“心臟向回收縮，子彈在肺葉中間穿過去了。若是在吸氣的瞬間，子彈就會打穿肺臟，當時就完了。”兩個月後，李仙洲傷愈歸隊，晉升為第二十九軍軍長。
十四日晚八時許，衛立煌率獨立第五旅來到前沿。他發現前線部隊太多，傷亡嚴重，且指揮很不統一，於是重新調整了部署：命令陳長捷指揮第二十一師，獨立第二、第三旅（欠第四團），新編第四旅，負責掃清南懷化之敵；命令郝夢齡指揮第五十四師，獨立第三旅的四團，第二一八、第二一七旅，擔任正面防禦並向日軍再次實施反擊作戰。
十五日，左翼中國軍隊第十師的大白水村陣地，受到日軍在三十多輛坦克引導下的持續攻擊。中國官兵最痛恨的就是日軍的坦克，他們打坦克的山炮很少，只能在陣地前挖出很深的反坦克壕溝。日軍的坦克被阻擋後，中國官兵便用機槍向日軍步兵射擊，壕溝的底部很快就被日軍的屍體覆蓋。中國守軍為對付日軍的坦克使用了各種方法：“先往坦克上澆汽油，再投以手榴彈；或是衝到坦克前面，把手榴彈塞到履帶裡。抗日戰士為了往日軍坦克履帶中塞手榴彈，手指被輾斷者有許多人。”李默庵的第十四軍第十師，其武器裝備在中國陸軍中可算精良：每個步兵連有九挺捷克式輕機槍和七十五支中正式步槍，每個重機槍連有六挺馬克沁重機槍和六門迫擊砲，這使得每個營的陣地上能夠配備二十七挺輕機槍、六挺重機槍、兩門迫擊砲和二百五十支步槍，另外還臨時配備了兩門德製的戰防砲。但是，面對日軍坦克的集團衝鋒，大白水村陣地還是危機重重。有限的反坦克戰防砲擊毀了幾輛日軍坦克後，立即招致日軍報復性的砲擊——“十幾門大砲集中轟擊，雨點似的炸彈、砲彈和飛機上的機槍子彈，不過十幾分鐘，就把一個戰防砲排陣地炸得血肉橫飛，塵土漫天，戰防砲排的官兵完全與陣地共存亡，無倖存者。”日軍在砲擊之後趁勢衝鋒，衝鋒時竟把從中國百姓那裡搶來的大群牛羊趕在前面擋子彈。第十師官兵與日軍在大白水村里激戰多時，大白水村陣地依舊在中國守軍手中。
董其武旅長負傷後，孫蘭峰接替指揮，第二一八旅奉命攻擊威脅中國守軍進攻的舊河北村日軍陣地。四二〇團攻入村莊後，在一座院落裡發現了數名臉上抹了鍋灰的婦女，其驚恐萬狀的樣子令官兵們心裡十分酸楚。攻到最後一座大院子時，殘存的日軍龜縮在內不肯投降。突然，從院子裡跑出來一個十來歲的小女孩，中國官兵的射擊驟然停止。
小女孩來到我們面前，聲音顫抖地說：院子裡的日本鬼子叫我告訴你們說，如果你們不開槍，他們就向西北走。我們照顧好小女孩，仍用中國話喊“繳槍不殺，優待俘虜”等語，但仍不見動靜。最後兩位李團長商定，派人上房投彈殲敵。隨即豎起了梯子，二十餘人上房頂，伏在外坡向裡投手榴彈。敵人雖多死傷，但始終不肯投降……垂死之敵不肯投降，見房頂上有人，即由房內向房上穿射，致使伏在房上的三排排長張玉山等十餘人壯烈犧牲……我軍決定火燒大院，全殲該敵。大家積草堆柴，引火燒房。十幾分鐘，院內敵人始得全殲。
中國空軍第二十七大隊的兩架戰機自汾陽機場起飛，於凌晨五時三十分轟炸了位於崞縣的日軍陣地，十分鐘後安全返航。六時十五分以及八時十分，兩架中國戰機再次轟炸了崞縣日軍陣地，返航時遭遇四架日軍驅逐機的攔截，中國飛行員蘇英祥、廖兆瓊陣亡，飛機殘骸墜落於忻縣附近。十四時三十分，中國空軍第七大隊和第十二大隊的戰機再次起飛，轟炸目標是崞縣西北日軍運輸線上的一座橋樑，但因投彈偏離沒有命中，戰機安全返航。
忻口激戰的同時，根據第二戰區的作戰計劃，八路軍繼續深入敵後頑強襲擾。第一一五師第三四四旅將從靈丘方向開來的一百三十多輛日軍汽車堵在了小寨村附近，儘管日軍派出一個大隊增援，但第三四四旅死頂不退，日軍被迫撤回了靈丘。該師獨立團和騎兵營在廣靈以南的馮家溝伏擊了日軍第五師團的第二運輸隊，斃傷日軍百餘人後，先後克復廣靈、紫荊關、易縣、靈丘和蔚縣。八路軍第一二〇師在忻口的右翼，先後佔領了攻擊忻口日軍的數個後方要點，並向原平附近出擊，破壞了大同至太原的公路，嚴重打擊了日軍後方補給線。
但是，忻口全線的關鍵支撐點南懷化陣地，仍在日軍手中。
十五日晚，衛立煌嚴令郝夢齡十六日出擊，必須奪回南懷化陣地。
據此，第九軍軍長郝夢齡和第六十一軍軍長陳長捷商定了作戰部署：一、第五十四師之第一六二旅（欠一個團）向位於南懷化以北的“官村左前方之敵攻擊”；二、第二十一師之第六十三旅向南懷化以北之敵攻擊；三、獨立第五旅由現地向南懷化東端之敵攻擊；四、新編第四旅強行佔領南懷化；五、第五十四師之三二二團為嚮導隊，分屬於第六十三旅、獨立第五旅和新編第四旅；六、獨立第二、第三兩旅協同右翼各部隊增援新編第四旅，攻擊南懷化之敵；七、第二十一師之第六十一旅，由一三〇〇高地攻擊南懷化以南新練莊東北之敵；八、第六十八師由南懷化以南的秦家莊、新練莊向北出擊，協助殲滅位於南懷化西北方向的后城頭的敵人；九、第十師派一部由蘭村向北面的前城頭與后城頭協助攻擊；十、第二一七旅及第一六一旅攻擊南懷化北面龍莊、下王莊以北之敵；十一、第二一八旅攻占后城頭以北的舊河北後，向南懷化之背後實行攻擊；十二、第二一一旅、第十九軍之第二〇九旅於金山鋪泡池村集結，為預備隊；十三、以上各部隊，均於十六日二時開始行動。
出擊的時間還是午夜兩點。
這幾乎是中國軍隊孤注一擲的反擊。
與十四日的情況一樣，中國軍隊剛剛發動反擊，日軍的大舉進攻同時開始了。擔負反擊南懷化陣地任務的獨立第三、第五旅和新編第四旅等部隊，作戰一開始就陷入了混亂——陣地狹窄，地形複雜，夜色黑暗，日軍的槍彈砲彈大雨一般傾瀉，新編第四旅二團團長梁鴻勛腰部和腿部負重傷，二營營長覃連登和三營營長張學英陣亡，全團的四名連長張振華、李登山、李明和王明亮陣亡後，接替的代理連長陳三緣和徐鴻章也相繼陣亡。十二團代理團長李正元以及該團的營連長也傷亡過半，兩個團士兵的傷亡人數已達兩個營的兵力數。獨立第五旅向日軍無名高地連續發起三次沖鋒都未能得手，組織第四次沖鋒時，旅長鄭廷珍親上前沿，日軍的一顆子彈從他的右眼入，後腦出。鄭旅長不幸陣亡。
鄭廷珍，中國陸軍第十四集團軍獨立第五旅旅長，河南人，出身一個中醫世家，但他沒有子承父業，而是在二十歲那年加入馮玉祥的隊伍開始了從軍生涯。此次部隊奉命從河北開赴山西戰場，他對第五旅的官兵們表示，過去打內戰，勝不足武，敗不足惜，現在是打侵略者日本，拼死拼光也值得，這是軍人的光榮。部隊途經河南時，他打電報讓家人來車站見面。在車站站台上，戎裝男兒跪倒在地向年邁的老母磕頭道別，表示兒子此去奉令殺敵，鬼子不敗誓不生還。鄭旅長陣亡後，遺體被護送回河南老家，靈柩所經之路百姓沿途祭奠，家鄉父老厚葬了他。
郝夢齡命令六一四團團長李繼程代理旅長職務。
日軍在南懷化陣地正面增加了兵力，李繼程旅長指揮六一四團二營，再調來六一五團三營，避開日軍的攻擊正面試圖從左右夾攻，日軍的砲火即刻覆蓋了戰場的左右兩翼。戰至兩個小時後，二營和三營的官兵因傷亡所亡剩無幾，李繼程旅長也在赴前沿督戰時陣亡。
獨立第五旅旅長再次易人，由六一五團團長高增級代理。
獨立第五旅反擊受挫，令軍長郝夢齡焦灼萬分，決定親上前沿督戰。部下阻止說，前往獨立第五旅的陣地，必須通過一段長約二十米的小路，小路被日軍的四挺機槍嚴密封鎖，已經導致四名傳令兵陣亡。如果軍長堅持要去，必須繞路。郝夢齡軍長不肯，認為繞路會耽誤時間。部下又請求軍長寫下手令，表示他們願意冒死送達獨立第五旅的陣地。郝夢齡軍長還是不肯，說正在前沿血戰的官兵需要看見他：“今天的戰鬥，誰能堅持最後五分鐘，誰就勝利！你們要堅守陣地，就是剩下一兵一卒也不能撤離！”說完，郝夢齡帶著第五十四師師長劉家麒走向了那條令他們一去不復返的小路：
將軍在前，劉師長在後，拉開距離用快步奔向獨立第五旅。剛進入被敵人控制的危險路口，即被佔領烽火台南沿制高點之敵發現，四挺機槍一陣瘋狂掃射，將軍身中十餘彈，倒在血泊中。師長劉家麒不顧生死，急救將軍遺體，尚未離開地方，也同樣殉國。
中國陸軍第十四集團軍第九軍軍長郝夢齡，是抗日戰爭爆發後陣亡的第一位軍長，殉國時年僅三十九歲。
郝夢齡，字錫九，河北藁城縣莊合村人。十六歲從軍，畢業於保定陸軍軍官學校步兵科，參加過直皖大戰、直奉大戰、中原大戰以及國民革命軍的北伐戰爭。雖多年在軍閥部隊裡作戰，但他始終潔身自好，嚴於律己，不置私產，愛護士兵。抗日戰爭爆發後，他奉命率部北上，部隊自貴州沿湘黔公路徒步行軍，然後在漢口轉乘火車至石家莊。原定參加平漢路作戰，因山西戰局緊張，遂跟隨衛立煌的第十四集團軍增援晉北。十月三日進抵太原，四日午夜到達忻口。十二日，忻口阻擊作戰開始，他的部隊始終處於中央正面戰場，必須直面日軍優勢武器的猛烈打擊以及重兵的持續攻擊。官兵捨命血戰五晝夜後，他知道自己“既無援兵，又不能放棄，只有拼殺到底”。部隊北上路過漢口時，他曾與家人有過短暫的也是最後的相聚。他對他的兒女們說，我愛你們，但是更愛國家。如果國家亡了，你們就沒有好日子了。我沒有錢，如果我死了，你們就進國家設立的遺族學校去讀書。郝夢齡軍長給他的妻子留有遺書一封：
此次抗戰，乃民族國家生存之最後關頭，抱定犧牲決心，不能成功即成仁。為爭取最後勝利，使中華民族永存世上，故成功不必在我，我先犧牲。我即犧牲後，只要國家存在，諸子女之教育當然不成問題。別無所念，所念者，此中華民國及我們的最高領袖蔣委員長。倘餘犧牲，望汝孝順吾老母，及教育子女，對於兄弟姊妹等，亦要照拂。致餘犧牲，亦有榮焉，為軍人者，對國際戰亡死，可謂得其所矣。
“使中華民族永存世上”，這是郝軍長無懼戰死的唯一理由。
一九三七年十二月六日，國民政府頒布褒獎令：
陸軍第九軍軍長郝夢齡、第五十四師師長劉家麒、第五旅旅長鄭廷珍，矢忠革命，夙著勳勤。此次奉命抗戰，於南懷化之役，率部鏖戰，歷五晝夜，猶复身先士卒，奮厲無前，竟以身殉國。眷懷壯烈，軫悼彌深，應予特令褒揚。郝夢齡追贈上將，劉、鄭各追贈陸軍中將，並交行政院轉行從優撫卹，生平事蹟存備宣付史館，用彰勳藎，而垂永久。
衛立煌指令第十四集團軍參謀長郭寄嶠接任第九軍軍長，第一六一旅旅長孔繁瀛接替第五十四師師長，指定第六十一軍軍長陳長捷統一指揮中央兵團繼續作戰。
十五日，衛立煌致電蔣介石：
敵於文未刻（十二日五時）起，以重轟炸機二十餘架，向我四九八團髫髻山陣地往復轟炸數小時，投彈數百枚。元（十三日）拂曉迄午，敵復以輕重砲數十門掩護步兵團一聯隊指向髫髻山進攻，發炮二千餘發，我陣地工事全成灰土。守軍浴血抗戰，與敵肉搏，陣地進出數次，均經擊退。團長曾邦憲兩次飲彈，殉國；營長三員，相繼負傷；連長以下官兵傷亡殆盡。至午後一時許，陣地遂被陷落。當時抗戰之勇敢、與陣地同存亡之精神殊為壯烈，而損失之奇重亦為前所未有……
日軍顯然也因久攻不下而筋疲力盡：
決心死守太原的山西軍、中央軍、共產軍三方面聯合部隊，在背靠忻縣盆地、忻口鎮前面的高地，構築了堅固的防禦工事，迎擊我大場、粟飯原、長野、和田工兵、竹田砲兵各部隊，自十三日以來進行拼命的抵抗。總攻忻口鎮，可以說是總攻太原的前哨戰，展開壯烈的激戰前後達四晝夜。敵軍布防把前線部隊配置在從沿大同至原平鎮道路東側的滹沱河左岸，忻口鎮西方沿滹沱河支流；把主力配置在忻口鎮西方高地。以迫擊砲、山炮、機槍猛烈射擊，在最前線以戰車、裝甲車瘋狂地頑強抵抗。共產軍到處使用擅長的游擊戰術，使我軍大傷腦筋。十七日清晨，佔領了忻口鎮西側高地的一角，仍在猛烈攻擊中。
十六日，南懷化陣地依舊未能收復。
這天早晨，第六十一軍司令部參謀張光曙奉命前去忻口，在這片戰場上他看見了觸目驚心的一幕：
遙見忻口陣地上，濃煙爆起，喊聲連天。十幾架日軍飛機輪番轟炸掃射，爆炸聲震耳欲聾。雙方正在激戰中，大批傷員湧退下來，有的呻吟叫嚷，有的邊走邊罵：“鬼醫生都滾到哪裡去了，連個人影兒都不見。”有一個端著自己另一支骨斷筋連血淋淋的傷臂，號啕大哭。還有一個躺著對過路人說：“給我一槍吧！我受不了啦。”原來他的小腸已經流出來一大截……
衛立煌判斷，日軍的增援部隊最遲十七日抵達，在此之前擊潰當面之敵當然有利，然而忻口一線的中國守軍傷亡過大，消耗甚鉅，已經無力支持大規模的全線反擊作戰。儘管蔣介石命令駐紮潼關一帶的鄧錫侯的第二十二集團軍日夜兼程趕赴忻口，閻錫山也命令朱懷冰的第九十四師等部隊迅速抵達前線歸衛立煌指揮，可援軍的抵達畢竟需要時間。基於目前戰場局勢，衛立煌決定全線採取守勢——堅守現有陣地，援軍抵達再戰。
忻口阻擊的第一個星期，中國軍隊以頑強的作戰頂住了日軍的瘋狂攻擊。從軍事上講，在忻口戰場進入僵持的時刻，如果中國方面能夠迅速增兵，或許只要再投入幾個武器裝備較好的陸軍師，便有可能將當面日軍擊潰，至少能夠利用有利的地形把日軍阻擋在滹沱河邊。但是，閻錫山和衛立煌最害怕的事還是發生了——或許現在他們應該想起了毛澤東的提醒——在忻口戰場的側背，晉東的娘子關方向，此刻已是炮聲隆隆。
娘子關，河北與山西交界處的一座要隘，是河北正定至山西太原鐵路線上的要沖和門戶。娘子關以西是太行山主脈和山西台地，以東群峰逐次下落直至華北平原。娘子關分為新、舊兩關，舊關山巒交錯，溝壑縱橫，一條狹窄的古道沿著桃河在陡壁和深淵之間蜿蜒崎嶇；舊關南面的新關，地形略為開闊，成為冀晉之間的主要通路，明清時這里便沿關築有城牆。民國初年軍閥混戰，閻錫山在舊關和新關都修築了軍事設施，並派出重兵把守，以阻擋任何勢力由此進入山西，染指他的地盤。抗戰爆發前，國民政府在此築有窯洞式半永久性的國防工事。
一九三七年九月中旬，在北平向南的華北平原上，日軍第二十師團配合第六、第十四師團和第一〇九師團，在平漢路北段的作戰中，相繼擊敗中國軍隊孫連仲指揮的第一軍團、劉峙指揮的第二集團軍各部。之後，日軍第十四師團和第一〇八師團沿平漢路越過石家莊繼續南下，第二十師團和第一〇九師團奉命向西面的山西攻擊，以配合板垣徵四郎的第五師團作戰。而谷壽夫的第六師團則被抽調至淞滬戰場。
當偵知華北日軍有攻擊娘子關的企圖後，蔣介石立即命令位於晉東附近的西北軍馮欽哉的第十四軍團和趙壽山的第十七師以及滇軍曾萬鍾的第三軍等部隊擔負娘子關防禦任務。可是，被蔣介石從南京派往山西幫助閻錫山指揮作戰的副司令長官黃紹竑對娘子關方向始終充滿憂慮：“我方的計劃，是想以少數的部隊據守石家莊，牽制平漢路正面的敵人，使他們不能轉向山西，而以主力轉向太原，從事忻口的會戰。因雁門關、平型關已失，敵人已進入山西之腹地，若能在太原以北忻口附近將敵殲滅，則太原尚可保，晉局尚可控制。否則，形勢必相反地突變。但敵人何嘗不預料及此。而且我們的部隊行動，無一不在敵機偵察之中，他必針對我們的行動而確立他們的計劃。敵人以迅速而有力的攻擊，將石家莊的防線突破後，僅以少數的兵力配合較多的騎兵和機械化部隊，向平漢路沿線的平原地區追擊，而以主力轉向娘子關會攻山西，並不受我正面的牽制。反而我因正面不能確保，將整個太行山脈的側面暴露出來，變成一個綿長而單薄的防線。”
十月七日——忻口方向的日軍已開始試探性攻擊——黃紹竑決定親自去一趟娘子關。他率領幾名幕僚出娘子關來到井陘。井陘位於娘子關的東北方向，扼守著正太鐵路線，是從北面或東面進入娘子關的必經之地。見到馮欽哉，黃紹竑問及娘子關防禦，馮欽哉認為情況不妙，因為防禦尚未部署完畢，而日軍的先頭部隊距井陘已經不足三十里了。話音未落，黃紹竑的衛士就捉到一名可疑人員，經過審訊證實是日軍的偵察兵。黃紹竑感到十分吃驚，因為這證明日軍不但確實很近了，而且偵察兵的出現預示著大戰即將來臨。
目前，防守娘子關正面的僅有趙壽山的第十七師，馮欽哉部所轄第四十二、第一六九師以及曾萬鍾部所轄第七、第十二師防衛娘子關的兩翼。在兵力如此少的情況下，防禦的正面卻有一百七八十里寬，以致處處顯出薄弱，處處都是空隙。相對於地理位置的重要性、相對於日軍強大的火力攻勢來講，娘子關的防禦實在是過於單薄了。黃紹竑認為，應該迅速收攏左右兩翼防線以集中兵力。而馮欽哉認為，部隊已經向之前指定的位置移動了，能不能迅速收攏回來還是個問題。回到太原後，黃紹竑建議閻錫山改變娘子關的部署，要求派原計劃增援忻口的孫連仲部加強娘子關的正面。
閻錫山指定黃紹竑為娘子關防禦總指揮。
黃紹竑立即返回了娘子關。
趕回娘子關，黃紹竑得到的第一個消息是：日軍第二十師團竟然沒有從井陘直接向南攻擊娘子關的正面，而是於井陘的右側向西斜插，從曾萬鍾與趙壽山兩部隊之間的間隙穿過，抵達了無人防守的舊關附近——舊關在娘子關的右後方，也就是說，真正的仗還沒打，一股日軍已經衝到了中國守軍的背後。
黃紹竑緊急調部隊趕赴舊關阻截，然後去察看娘子關正面的國防工事——
我在離娘子關車站十多里的磨河灘設立指揮所，這是以前國防計劃中所指定的指揮地點。但除了依山做了三個防空洞外，其餘一無所有。初到的時候，連打電話都要藉用正太路或鄉村的電話線。所謂娘子關的國防工程，僅是在那一帶的山上鑿出一些洞，既不是砲兵的砲位，又不是步兵的戰壕。而且整個陣地上，除了太原通石家莊的一條長途電話線及幾處鄉村電話線外，陣地的通訊設備完全沒有。軍隊在這樣的既設陣地作戰，簡直與臨時遭遇戰的情形差不多。
面對形同虛設的防禦工事，黃紹竑制訂了娘子關作戰部署：“為確保山西，將來收復華北失地容易，使我晉北作戰軍無後顧之憂起見，以第一戰區由保定南移之部隊進占娘子關山地，確實保持之，並相機進襲石家莊，威脅由平漢路南進之敵。”
十一日正午，黃紹竑再次抵達井陘，下達了一系列命令：第十七師一部趕往井陘東面的南河頭警戒，第三十師在井陘北面的南陘、上莊之線向北警戒；第三軍向井陘靠近，主力集結在大小梁家。
但是，命令的下達已經晚了。
第三十師突然遭遇千餘日軍的攻擊；第十七師因躲避轟炸，加上雨後道路泥濘，黃昏時分才抵達井陘附近，官兵尚未搞清楚陣地在哪兒就遭到了日軍的攻擊。特別是沿著正太路向娘子關靠近的第一六九師，早晨從井陘北面的賈莊宿營地出發時，突然發現村口的河溝裡有一百多匹清一色的紅色戰馬在飲水，官兵們正困惑，接著看見了幾面太陽旗在四周晃來晃去。第一六九師頓時陷入混亂，拼死突圍中部隊損失慘重。
譯電員石中立是突圍的倖存者：
我背後村西南是一座孤零零的高山坡無法翻過。我和參謀處的官兵則在敵人機槍的射界內向西沿梯形田迅速突圍，敵人的機槍和擲彈筒齊向我射來，打得梯田石子上亂冒火星。王國棟還在扶跑歪了的馱子，我喊他算了快臥倒。張雲昭參謀扔掉了他的棉大衣，我把皮帶上掛的茶缸毛巾牙刷也扔掉。我們都臥倒在梯田沿上，用自來得手槍向敵還擊。熊參謀的勤務員小余身上背著拾到的四顆手榴彈不用，而拿一支白朗寧小手槍亂打。由山溝上來的敵人，正向我們山坡爬來，我隨即拿過小余的手榴彈一顆一顆地向溝下敵人擲出。這時特務連上來一個班，用三挺輕機槍掩護我們向西突圍，向我們包圍過來的敵人，大部都被擊斃。我們的石子忠副官大腿被打穿，我用綁腿給他裹上架著向西沖。徐茂才左臂被擊中尚能跑得動。我們一氣跑了三十五里，到達戀莊。
十二日拂曉，日軍開始向中國守軍發動進攻，以娘子關正面的雪花山陣地攻勢最為猛烈。在這裡防禦的是趙壽山的第十七師。雙方激戰一日，黃昏時分，雪花山陣地右翼被日軍突破。
日軍繼續向南攻擊，天黑時逼近舊關。
此時，孫連仲的軍團司令部和所轄第三十一師抵達太原，閻錫山立即命令該部返回娘子關歸黃紹竑統一指揮。
十三日下午二時，舊關失守。
為了確保雪花山陣地的穩固，給孫連仲部贏得抵達的時間，第十七師師長趙壽山決定對日軍採取積極防禦的戰術，即兵分三路向井陘南關敵人的側背實施攻擊：左翼一〇二團二營佯攻井陘縣城；右翼九十八團突擊日軍佔領的劉家溝和長生口；中路在一〇一團團長張桐崗的率領下，在雪花山以南的石板片附近阻擊增援之敵。傍晚時分，反擊作戰開始。右翼九十八團突擊順利，幾乎全殲了佔領劉家溝陣地的日軍。而一〇一團更為勇猛，官兵們不顧生死奮力拼殺，日軍在慘烈的肉搏戰中傷亡慘重，開始後撤，中國官兵緊追不捨，一直追到了井陘車站，繳獲了大量的戰利品，僅野炮和山炮就有數十門之多。然而，令趙師長大驚失色的消息隨即傳來：雪花山陣地失守。
雪花山是娘子關正面唯一的製高點。
原以為主動發起的反擊會牽制大部日軍，因此，趙師長在率部出擊時於雪花山陣地只留下了第五十一旅一〇二團一營固守。孰料，戰場的唯一制髙點卻在反擊作戰開始後不久失守了。趙壽山立即回調出擊作戰的部隊，試圖奪回雪乾山陣地。第十七師官兵們艱難地仰攻，與日軍徹夜激戰，傷亡巨大，始終未見成效。十四日黎明時分，趙師長率領殘部千餘人向雪花山西南面的乏驢嶺撤退。
雪花山陣地的失守，嚴重影響了娘子關戰局。
但是，趙壽山的第十七師以頑強的作戰，為孫連仲部抵達贏得了時間。十四日，閻錫山重新調整了防禦部署：曾萬鍾的第三軍之三個團在舊關以南的九龍關、北孤台設防，餘部負責矸滅舊關之敵；朱懷冰的第九十四師和李興中的第一七七師之第五二九旅，於戰場的西北面佔領山關、龍泉關陣地；孫連仲的第一軍團派出一個團扼守黑山關南面的六嶺關；馮安邦的第二十七師在娘子關集結；張金照的第三十師派出一個旅佔領井陘以北的桃林坪、小棗一線陣地；池峰城的第三十一師位於娘子關的西南方向，由正太路上的陽泉向東推進，作為預備隊。同時，閻錫山還致電五台縣第十八集團軍總指揮朱德，命令劉伯承的第一二九師開赴陽泉，歸黃紹竑指揮。
這一天的拂曉，娘子關前線的中國軍隊開始主動攻擊，戰場形勢出現了一些好轉的跡象：第三十五旅將繼續攻擊舊關的日軍擊退；第二十七師部隊攻占了舊關以北的核桃園和大小龍窩；第四十四旅不但擊退了向西攻擊的日軍，佔領六嶺關，還與第十八集團軍的八路軍部隊取得了聯繫，令孃子關中國守軍左側的威脅基本解除。由舊關向娘子關攻擊的千餘日軍，進入兩關之間一條名叫關溝的深溝時，受到第七十九旅一個團加兩個營的圍攻，被封鎖在深溝裡的這股日軍傷亡巨大。下午，之前竄入舊關的那股日軍，在飛機和炮火的掩護下向關溝突擊，企圖救援受到圍攻的日軍殘部，但被中國守軍打了回去。日軍第三十九旅團旅團長高木義人這才意識到他遇上麻煩了。他的第七十七聯隊雖攻占了雪花山和舊關，但損失太大，此刻關溝裡的那些官兵還危在旦夕，這樣打下去必定前景不妙。於是，他命令第七十八聯隊的一個大隊和一個山炮中隊增援舊關，命令第七十八聯隊餘下的全部力量並加強一個加農榴彈砲大隊增援娘子關戰場。十五日，中國守軍對關溝裡的殘餘日軍進行清剿。第七十九旅官兵從三個方向一齊殺入，在關溝裡藏了兩天的日軍，背後是絕壁，無處可逃，數百人被擊斃。而三名被活捉的日本兵，是在一個山洞裡的一堆高粱稈裡被發現的；被擊斃的日軍軍官中，有第七十七聯隊聯隊長鯉登行一和大隊長中島力男。
此時，西面的忻口仍在血戰之中。
侵入舊關的日軍在中國軍隊的持續圍攻下依舊不退，舊關遂成為娘子關戰場的作戰核心。十五日，黃紹竑決定對舊關實施反擊作戰，命令部隊必須解決舊關之敵。其作戰命令要旨為：
一、以殲滅敵軍之目的，明（十六）日拂曉，我全線對敵實施總攻。
二、第三軍為攻擊主力，對舊關之敵攻擊。
三、第二十七師，限今（十五）日將關溝之敵肅清，以主力由龍窩附近斷敵後方聯絡，一部協同第三軍會攻舊關。
四、第十四軍團之工兵營附輜重兵營、第十七師、第三十一師第九十二旅（欠一個團），固守原陣地堵擊敵人。
五、第三十師抽兵兩團，協同第十七師堅固佔領乏驢嶺。
當晚，日軍第七十八聯隊全部抵達舊關。
十六日拂曉，中國軍隊發動反擊時，日軍也同時發動了攻擊。佔領了核桃園的第二十七師部隊被迫向後撤退，第三十師從乏驢嶺向井陘發起的出擊未能奏效。第二天，黃紹竑、孫連仲依舊命令部隊繼續反擊，激戰一天，雙方都付出巨大傷亡，中國軍隊依舊未獲進展。十八日，日軍向中國守軍各陣地全面攻擊，雖未能得逞，卻導致中國守軍傷亡劇增。晚上，黃紹竑命令第三十一師組織敢死隊突入舊關擾敵，其餘部隊對舊關實施全面襲擊。十九日凌晨二時，第三十一師一部衝入舊關，與日軍展開肉搏戰，最終將日軍趕出了舊關。拂曉時分，日軍增援部隊抵達，重新奪回舊關。天大亮了，日軍出動飛機進行持續猛烈的轟炸和掃射，迫使中國軍隊停止攻擊。晚上，中國守軍再次發動圍攻，由於各部協同不夠最終沒能成功。
在中國軍隊圍攻舊關時，趙壽山的第十七師陣地發生危機。得到增援的日軍在凌晨四時向乏驢嶺一帶發起攻擊，由於日軍空中轟炸和地面火力明顯優於中國守軍，激戰到下午，第十七師補充團團長翟濟民身負重傷，營以下軍官傷亡二十七人，彈藥斷絕，乏驢嶺南側陣地被日軍攻占。同時，在乏驢嶺的北面，荊蒲關陣地上中國守軍一個營孤軍苦戰至傍晚，全營自營長到戰士傷亡殆盡，陣地失守。
中國陸軍第三十八軍第十七師，原西北軍將領楊虎城的舊部，官兵中有不少共產黨人。自娘子關作戰開始後，第十七師一直戰斗在娘子關前沿的雪花山、乏驢嶺一線，全師各部始終處在日軍的猛烈攻擊下，官兵不畏犧牲，頑強作戰，付出了巨大的傷亡代價，全師旅以下軍官旅長僅剩一人，團長僅剩兩人，營以下軍官所剩不到三分之一，一萬三千餘人的陸軍師戰至不足三千人。
連日來，日軍第二十師團攻擊娘子關的部隊，以第三十九旅團為主，師團主力仍保持於石家莊附近進行休整。當攻擊陷入窘境時，為盡快完成華北作戰以騰出兵力増援華中戰場，十九日，日軍華北方面軍命令第二十師團投入後續部隊迅速攻占娘子關。
第二十師團的部署是：由六個步兵大隊、兩個野炮大隊、兩個榴彈砲大隊、一個山炮大隊、兩個迫擊砲中隊，組成右縱隊，攻擊娘子關南面的新關；由四個步兵大隊、一個山炮大隊、一個迫擊砲中隊組成左縱隊，擔任助攻。後續部隊集結於井陘。為了支援第二十師團，打破娘子關戰場的僵局，日軍華北方面軍命令第一〇八師團之第一〇四旅團歸第二十師團指揮；命令第一〇九師團從石家莊以南的元氏出動，向西進入山西境內，通過昔陽縣直插娘子關的背後。
負責娘子關作戰的戰區副司令長官黃紹竑已經投入了他能掌握的所有部隊。從太原回防娘子關的孫連仲部，在西北軍中是有一定戰鬥力的部隊，但是盧溝橋事變後，該部奉命增援宋哲元的第二十九軍，歷經數次作戰兵力已經不足萬人；又經過娘子關戰場的連日苦戰，當下剩餘兵力不足六千。縱觀整個晉東，防線千瘡百孔，兵力捉襟見肘，面對日軍將要發動的更大規模的攻勢，第二戰區在這個方向上已經無力再