忻口位于太原以北，居忻县、崞县、定襄三县之交，东托五台山，西倚云中山，滹沱河从两山穿流而过，同蒲铁路和一条公路沿河岸纵贯南北，自古以来为战略要地。
10月3日，第5师团由大营镇向代县附近集结。4日，关东军察哈尔派遣兵团的主力列入该师。10月7日，萱岛支队（以中国驻屯军步兵第2团为基干编成）到达大同，也配属于第5师团。板垣遂决定合力进攻忻口。
内长城防线被日军突破，太原形势危急。国民政府军事委员会为挽回危局，遂决定转用平汉线兵力，巩固山西防御。10月1日，急令第14集团军总司令卫立煌率第9、第14军及第85师、独立第5旅等部共四个半师的兵力，由石家庄经正太路转赴晋北增援。并令第2战区以有力一部固守崞县、原平，掩护集中。
第2战区司令长官阎锡山为了扭转晋北作战的败局，决定缩短战线，将兵力集中于宁武、代县、原平一带，利用忻口要隘与敌决战。同时，阎锡山召集有关人员对当面敌情进行分析，判断日军将以主力由大营、繁峙，以一部由大同、雁门关沿汽车路进攻，另以一部由阳方口附近实行钳制攻击。据此，第2战区确定忻口作战的方针是：以攻势防御之目的，以主力占领原平、阳方口地区既设阵地线，两翼依托五台及宁武各山脉。将部队编为右、中、左及预备等4个集团军：以第18集团军（八路军）及第73、第101、新编第2师为右集团军，归第18集团军（八路军）总司令朱德指挥，在五台山至峨口之线占领阵地；以第14集团军，第9、第15、第17、第19军等部为中央集团军，归第14集团军总司令卫立煌指挥，在蔡家岗、南怀化、大白水一线占领阵地；以第68、第71、第120师及独立第7旅等部为左集团军，归第6集团军总司令杨爱源指挥，在黑峪至阳方口之线占领阵地；以第34、第35、第61军及第66师等部为总预备军，归第7集团军总司令傅作义指挥，配置于定襄、忻县地区。决心以主阵地之部队竭力阻止日军前进，以第18集团军（八路军）第115、第120师分由平型关及雁门关施行包抄，截断日军后方联络线，包围敌人于原平以北山地而歼灭之。
与此同时，阎锡山命令第19军固守崞县，第34军之第196旅固守原平，独立第7旅固守轩岗，阻敌南下，以掩护主力在忻县附近之集中。俟各路部队集中完毕后即开始向当面之敌攻击。
对于保卫山西的作战，中共中央和八路军极为关注。周恩来一直同阎锡山保持着频繁的接触，多次参与一些重要作战计划的研究，以协调共同作战。针对阎锡山把作战地区划分为左、中、右三个地区，以主力用在正面防御的作战计划，周恩来指出：“在中地区，应以小部队钳制当面之敌，而以主力把敌诱到代县、忻口一线，求得侧面出击，加以消灭！右地区的部队要进行广泛的游击，以牵制敌军；左地区兵力较弱，可向宁武南北游击，破坏和阻止敌军的前进计划。”他还提议，立即组织、武装正太、同蒲铁路员工和井陉、阳泉矿工，配合保卫山西。
为了争取忻口和太原作战的胜利，毛泽东于10月6日致电参加太原军事会议的周恩来，让他转告国民党军事当局：敌占石家庄后，将向西面进攻，故龙泉关（九龙关）、娘子关两点须集结重兵，实行坚守，以使主力在太原以北取得胜利。毛泽东判断：进入山西之敌，总数不过两个半师，为确保晋北占领区，又须分兵守备。因此，到达忻口一带作战者不过一个师左右。如果我方部署适当，是有可能暂时破坏敌之攻击计划的。并指出此战役关键在于下列三点：（一）娘子关、龙泉关之坚守；（二）正面忻口地区之守备与出击（出击是主要的）；（三）敌后方之破坏。
为达上述目的，毛泽东提议：国民政府军事委员会应速派主力军三四个师至娘子关；第14集团军的4个师担任正面出击兵团之主力，晋军以两个师协同出击，其余担任守备；八路军第115、第120师主力担任从东西两方破坏敌之侧后纵深地区，袭击忻口至大同、大同至张家口之铁路及代县、广灵至张家口之公路交通线。八路军第129师主力或全部则使用于正太路，发动群众配合娘子关守军，巩固后路。
朱德、彭德怀根据毛泽东的指示，于10月6日、7日，令第115师协同友军向平型关、大营镇之敌进攻，相机袭取浑源、应县，断绝茹越口、繁峙之间交通；令第120师以主力向岱岳镇（今山阴县）以西山地出动，断绝大同与雁门关之间交通，以第358旅主力配合友军夹击宁武以南之敌；令第129师主力进到正太铁路之寿阳、平定地区，积极钳制与打击西进之敌。
日军第5师团于10月3日由大营镇出发，6日在代县集结。混成第2、第15旅团于10月1日由代县沿公路分别向崞县、原平进攻。此时，第2战区第19军王靖国部凭借有利地形，对日军的进攻奋力抗击，迟滞了敌军的行动，并为主力部队集中布防赢得了时间。10月5日，第14集团军先头第9军（欠第47师）到达忻口，占领忻口附近之南怀化一带阵地。10日，第14集团军主力到达忻口，占领忻口东西一线阵地。12日，第2战区又令第7集团军总司令傅作义率第35军及第61军之独立第2、第3旅等部开赴忻口一带，协助中央集团军作战。中央集团军总司令卫立煌将先后到达忻口地区的部队区分为三个兵团：以第15军军长刘茂恩指挥第15、第17军为右翼兵团；以第9军军长郝梦龄指挥第19、第35、第61、第9军为中央兵团；以第14军军长李默庵指挥第14军及第85、第66、第71师为左翼兵团。各部队由卫立煌统一指挥，在12日前展开于忻口以北龙王堂、南怀化、大白水、南峪之线，准备与敌决战。
日军在10月8至11日占领崞县、原平后，企图一举攻占忻口，直趋太原。10日，其第5师团从代县向忻口前进。12日，日军各部队集结于原平附近。板垣征四郎将混成第15旅团及堤支队等部编为翼队，第5师团为左翼队，于13日开始向忻口阵地攻击。因两翼有五台山和云中山相阻，日军集中5000余人兵力，在飞机30余架、坦克50余辆、炮50余门掩护下，采取中间突破的战法，向中央兵团第9军第54师之南怀化阵地及左翼兵团之阎庄阵地发起猛攻。战至10时许，南怀化沿河工事被毁，守军伤亡殆尽，日军乘机渡河，突破南怀化阵地。郝梦龄即以第17军第21师两个团增援堵击，卫立煌派第14军之第10师及第61军新编第4旅协力夹击突入之敌。激战终日，毙伤日军3000余人，击毁坦克22辆，恢复南怀化东南高地。向阎庄进攻之敌，至黄昏时，增加到3000余人，突破了守军前沿阵地。
13日夜，卫立煌组织部队向日军实施反击，企图围歼突入之敌。14日2时，反击开始后，中央兵团之第35军第218旅向南怀化以北之弓家庄日军反击。日军1000余人则向第9军第54师之第161旅下王庄阵地攻击。第218旅以一部增援第161旅，旅长董其武率另一部继续向弓家庄日军反击，7时攻克弓家庄。8时，日军1000余人，在10辆坦克、15架飞机、20余门炮的掩护下，向下王庄至弓家庄一线反扑。守军连续打退敌人四次冲锋，董其武身受重伤，仍率部将日军击溃。在中央兵团对南怀化附近日军开始攻击之际，日军亦增兵向南怀化反扑，战斗甚为激烈。经一日激战，南怀化阵地又为日军占领。右翼兵团经一日激战，于20日将当面日军压迫于滹沱河东岸至灵山脚下一带；左翼兵团于拂晓攻占旧练庄，遇日军增援部队反扑，激战终日，成对峙状态。
14日20时许，卫立煌亲率独立第5旅至忻口督战，将指挥关系作了调整：由第61军军长陈长捷指挥第21师、独立第2、第3旅（欠第4团）及新编第4旅，负责肃清南怀化之敌；由郝梦龄指挥第54师附第217、第218旅及独立第3旅之第4团等部，担任忻口正面守备及向当面之敌反击。
15日，忻口正面守军向中泥河、东泥河之敌反击，曾一度攻占中泥河，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，日军飞机十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（牺牲后被追晋为上将）、第54师师长刘家琪少将（牺牲后被追晋为中将）、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、南峪之线阵她，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，守军虽伤亡三分之二以上，“日耗两团上下”，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旅主力于当日夜袭团城口，随后收复平型关及浑源县城。第344旅之第688团于15日夜袭砂河镇日军，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、完县等城，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、永兴村之敌猛袭，毙伤日军120余人。第358旅之第716团深入日军侧后，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太和岭间的公路及桥梁，一度切断了雁门关至忻口的交通。