在平型關戰(zhàn)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(wěn)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(zhàn)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(zhàn)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(tǒng)一晉北作戰(zhàn)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(zhàn)局危機，保衛(wèi)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(zhàn)開始了。

(一)忻口作戰(zhàn)

為阻止日軍南下，蔣介石和閻錫山以衛(wèi)立煌為前敵總指揮，調集4個集團軍首先組織忻口會戰(zhàn)。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(wèi)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(qū);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(qū)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(zhàn)的勝利，中共中央軍委主席毛澤東，曾就忻口作戰(zhàn)的方針，于10月6日，向第一、二戰(zhàn)區(qū)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(zhàn)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(zhàn)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(qū)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(xié)助友軍作戰(zhàn)。

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(xié)同友軍向平型關、大營鎮(zhèn)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(zhèn)(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(qū)，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(zhàn)，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(zhèn)猛攻。第二戰(zhàn)區(qū)長官部為使主力部隊有充裕時間集結忻口與敵決戰(zhàn)，下令“死守崞縣、原平，以待后續(xù)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?lián)?，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(zhèn)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(zhàn)。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(fā)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(wèi)戰(zhàn)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(zhèn)(今平魯縣城)，4日又收復平魯縣城(今平魯鎮(zhèn))。接著對同蒲鐵路朔縣至大同段展開破襲戰(zhàn)，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(zhàn)。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(wèi)立煌為前敵總司令，統(tǒng)一指揮三個兵團在忻口一線作戰(zhàn)。

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(wèi)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(zhàn)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(zhàn)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(fā)時，留有遺囑與諸子女等。此次抗戰(zhàn)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?！酄奚嘤袠s，為軍人者，對國際戰(zhàn)亡，死可謂得其所矣！”

郝夢齡犧牲后，中日雙方繼續(xù)在南懷化展開拉鋸戰(zhàn)。中國守軍頑強奮戰(zhàn)，寸土不讓。晉軍用太原兵工廠自制的8萬多發(fā)炮彈猛烈回擊日軍，山西生產的手擲彈、手雷也發(fā)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(fā)地組織起來支援前線，抬傷員、挖戰(zhàn)壕，與戰(zhàn)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(zhàn)士們，和敵人展開肉搏戰(zhàn)。整個山西戰(zhàn)場出現氣壯山河的全民抗日局面。

在保衛(wèi)忻口的戰(zhàn)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(zhèn)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(fā)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(zhàn)，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(zhàn)，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(qū)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(yǎng)。衛(wèi)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(fā)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(fā)現陽明堡地區(qū)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(wèi)情況，該團在當地群眾的協(xié)助下，由團長陳錫聯(lián)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(fā)現敵軍機場上停放24架飛機，周圍設有防衛(wèi)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(fā)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(zhàn)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(zhàn)斗。這一重大勝利使中國軍隊在忻口的作戰(zhàn)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(yōu)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(wèi)忻口的戰(zhàn)役中積極配合，并不斷取得奇勝非常滿意。10月17日，連發(fā)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?！钡诙怆妶蟮膬热菔牵骸百F部林師及張旅屢建奇功，強寇迭遭重創(chuàng)，深堪嘉慰，仍希繼續(xù)努力，以竟全功為要?！钡牵寺奋娫趥纫淼挠⒂伦鲬?zhàn)，并不能扭轉會戰(zhàn)主戰(zhàn)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(zhàn)

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(qū)的作戰(zhàn)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(zhàn)略地位。在會戰(zhàn)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(zhàn)區(qū)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(zhàn)區(qū)決定副司令長官黃紹竑赴娘子關指揮該方向作戰(zhàn)。

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(zhàn)，共斃傷日軍500余名。15日，第二戰(zhàn)區(qū)決定娘子關方面的作戰(zhàn)指揮統(tǒng)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(yōu)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(xù)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(qū)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(zhàn)，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(fā)起進攻。守軍猝不及防，連失陣地，26日娘子關失陷，晉東戰(zhàn)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(wěn)定晉東戰(zhàn)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(qū)。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(zhàn)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(xié)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(xù)西犯。11月1日，閻錫山命令忻口作戰(zhàn)部隊放棄陣地，向太原城北青龍鎮(zhèn)、天門關之線轉移，協(xié)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(xù)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(wèi)戰(zhàn)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(zhàn)斗，給日軍精銳的坂垣第五師以沉重的打擊。此次戰(zhàn)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(zhàn)役雖因國民黨軍事當局在作戰(zhàn)指導上有嚴重失誤，導致娘子關作戰(zhàn)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(qū)抵抗最堅決、最持久，戰(zhàn)績最顯著的會戰(zhàn)之一，而且是國共雙方軍隊配合得最好的一次會戰(zhàn)。