第359旅（欠第718团）在日军向忻口阵地发起攻击之时，星夜由平山地区进至忻口西北侧击敌人。10月23日，该旅在阳明堡西南之王董堡伏击日军运输队，毁敌汽车7辆。此后，不断袭扰过往日军，使敌交通运输进一步陷入瘫痪。
由于第115师和第120师的积极作战，使进攻忻口之日军与大同、张家口的交通中断，粮、弹、油料等供应断绝，迫使敌人不得不借飞机来输送给养。卫立煌10月24日在给蒋介石的密电中称：“敌自雁门被截断，粮秣极感困难，现向地方征发杂粮中。”为此，国民政府军事委员会连电嘉奖，蒋介石于10月17日致电朱德、彭德怀：“贵部林师及张旅，屡建奇功，强寇迭遭重创，深堪嘉慰。”
日军在地面攻击受挫，遂由代县西南之阳明堡机场频繁出动飞机，加紧了对忻口阵地的轰炸。此时，八路军第129师先头部队第769团，进抵滹沱河南岸苏龙口一带，发现日军飞机不断由北岸的阳明堡机场起飞，遂决定出其不意，夜袭机场。10月19日凌晨，第769团各部队分别进至预定地区。担任主攻的第3营顺利偷渡滹沱河，潜入机场，发起攻击，经过一小时激战，共毁伤日军飞机24架，歼灭日军100余人，八路军伤亡30余人，营长赵崇德光荣殉国。这一胜利沉重打击了敌军士气，使日军在忻口战场上一时失去了空中力量。
八路军部队积极作战，切断敌后方运输线，削弱日军的进攻力量，大大减轻了国民党军正面防御的压力，起到了暂时稳定晋北战局的作用。
中国军队团结一致，同仇敌忾，殊死奋战，在兵力悬殊之下仍力战不退。进攻忻口的日军第5师团，虽然付出极大的伤亡代价，但仍然无法攻取忻口。寺内寿一遂命沿平汉路南下已攻陷石家庄的日本第1军加快进攻步伐，以一部继续沿平汉线南侵，而以主力第20师团等部沿正太线西进，企图迂回忻口、太原侧后，配合其在忻口正面进攻的部队夺取太原。这样，娘子关地区的局势遂告紧张。
娘子关位于平定县以东、井陉县以西之正太线上，为晋冀间要冲，是太原的东面门户。国民政府军事委员会“为确保山西，使晋北作战无后顾之忧”，在抽调第14集团军转用于晋北作战之后，又命令第1战区第26路军、第27路军、第3军及第17师等部转用于娘子关南北之线，以掩护第2战区之右侧。阎锡山于10月10日夜派副司令长官黄绍竑赴娘子关统一指挥作战。此时，第26路军除留第30师归第 27路军总指挥冯钦哉指挥外，其余部队在第2集团军总司令（兼第26路军总指挥）孙连仲率领下入晋增援，正向太原输送中。冯钦哉将第17师配置于娘子关与雪花山一带；第30师及第169师在左翼之张家井、西板山、曹庄一带；第3军在右翼之九龙关、测鱼镇、北障城一带。
11日，守军尚未全部进入阵地，日军即开始发起攻击。第17师于井陉附近仓促应战。12日拂晓，日军以飞机支援战至18时，井陉被攻陷。长生口、大小龙窝等地也相继被日军占领。阎锡山急令孙连仲率部掉头东返娘子关，加强该线防守。
13日晨，日军继续西犯。大小龙窝之敌1000余人向第17师右翼旧关猛攻，战至11时将旧关攻陷。井陉之敌则向第17师正面雪花山阵地攻击，守军奋勇阻击，敌未得逞。为迟滞日军的进攻，当夜，第17师师长赵寿山率部趁夜幕向长生口之敌出击，正当攻击进展顺利之际，不意雪花山阵地被日军攻占。赵寿山立即调部队反击，激战至拂晓，部队伤亡逾千人，阵地仍未恢复，不得不退守乏驴岭一带。
在雪花山一带战况紧急之时，黄绍竑即令第3军主力向左转移，以策应第17师作战，其第12师于13日夜移至新关一带。与此同时，孙连仲率部抵达娘子关。14日，第27师等部向旧关、核桃园及大小龙窝等地日军反击，曾一度攻占核桃园及大小龙窝。15日1时，阎锡山决定娘子关附近作战由孙连仲统一指挥，并限令16日消灭旧关之日军。15日拂晓，第12师向王家岭及旧关东南地区日军攻击；第27师围歼关沟附近之敌。经两日战斗，守军共毙伤日军第20师团之第77团团长鲤登行一上校以下500余人。
16日，中国守军向旧关等地日军发起全线总攻。战至19日，守军歼敌2000余人，但自身伤亡已近5000人，且第17师阵地乏驴岭被日军攻占，遂不得不停止攻击，撤回原阵地。
日军忻口正面攻击受阻，娘子关方面攻击进展缓慢，其华北方面军急令第1军部署精锐的一部迅速突破正太线方面的敌阵地。此外，命令第109师团一部21日入列第1军的指挥下，以协助攻占太原平原。第1军司令官于19日命令第20师以全力击败当面之敌，攻占阳泉平原；又在21日部署归其指挥的第109师的一部（称为“昔阳支队”），沿赞皇—九龙关—昔阳大道进攻昔阳。
自21日起，日军增援部队逐次到达娘子关一带，以步、炮、空配合，向守军阵地展开了全线攻击。守军将士虽经顽强抗击，但因连日血战，部队急剧减员，致使防线多处被日军突破。为此，孙连仲于22日电陈阎锡山，请速调生力军增援。
在此紧急情况下，八路军总部命令第129师火速向娘子关东南敌之侧后挺进，寻机歼敌，配合友军阻止日军西进。该师于10月18日抵达平定以东。20日至24日，先后在长生口、东石门、马山村等地，打击进犯之敌。25日，第129师师长刘伯承决定以第386旅伏击日军第20师团约1000余人的辎重队。26日拂晓前，旅长陈赓令第772团第3营在七亘村至甲南峪间地区设伏。9时许，敌进入伏击区，第3营向其本队发起猛烈攻击，经两小时激战，毙日军300余人，缴获骡马300匹和大批军用物资，其余日军逃回测鱼镇。刘伯承判断日军辎重队必将沿原定路线继续西进，决定第386旅在七亘村再次伏击敌人。28日，日军果然以步骑兵400余人掩护其辎重部队经原道西进，11时许进入伏击区。第772团第3营突然发起猛烈冲击，战至黄昏，歼日军100余人，缴骡马数十匹，再次打击了进犯之敌。
然而，对娘子关方面的防御，一直没有引起国民党军事当局的高度重视，毛泽东在忻口战役开始前提出的预置重兵加强娘子关防守的建议，也没有被完全采纳，直至日军逼近后，才调部队进至娘子关仓促组织防御，以致未能有效地阻止敌之进攻。10月26日，娘子关失陷，守军全线撤退。30日，日军占领阳泉、平定后沿正太路及其南侧大道向太原、榆次继续进犯。晋东战局急转直下。
为了打击进犯之敌，阻止和迟滞日军的西进行动，八路军总部于10月28日率第115师师部及第343旅由五台地区南下，30日抵达平定西南地区，统一指挥第129师及第115师主力，向沿正太路西犯之敌展开了连续的作战。
11月2日，第129师之第386旅在师长刘伯承、旅长陈赓指挥下，于昔阳东南之黄崖底一带，伏击由东冶头向昔阳进犯之敌第109师团第136团一个营，共毙伤日军300余人，获战马300余匹，八路军仅伤亡30余人。
第115师师部及第343旅则进至昔阳以西之沾尚镇地区，待机歼敌。11月4日，日军第20师团先头两个团通过广阳进至松塔镇，其辎重队及一个营进至广阳。第343旅在旅长陈光指挥下，对敌辎重队发起猛烈攻击，经4小时激战，歼日军近1000人，缴获骡马700余匹、步枪300余支及大批军用物资。日军遭此打击后，不敢贸然西进，已进至松塔镇的两个团被迫回返广阳。
7日，第129师主力在第115师一部的配合下，又于广阳以东之户封村地区设伏，毙伤日军250余人。
八路军在黄崖底、广阳、户封村等地连续地伏击日军，予敌以沉重打击，迟滞其行动达一星期之久，掩护了沿正太路撤退的国民党军队。
但是，从娘子关方面后撤的国民党军队已不能组织有效的防御，致使平定、阳泉、寿阳于10月30日至11月2日相继沦陷。太原处于日军大包围之中，危在旦夕。
阎锡山为集中兵力固守太原，遂决定忻口守军全线撤退。根据阎锡山的指示，卫立煌于11月2日下令，对部队的编成、任务区分作了明确的规定：以第15、第17军（欠第21师）等部为右兵团，第15军军长刘茂恩为兵团长，以主力确保莱水鸠、川套里、窑子上之线阵地；以第19、第61军，第35军一部及第21、第47（已到达太原）、第54、第72、第73师等部为中央兵团，第19军军长王靖国为兵团长，其主力配置于西黄水、青龙镇至周家山之线阵地；以第14军及第68、第71、第94师等部为左兵团，第14军军长李默庵为兵团长，其主力配置于观象坡至西青善及东瞒村至天门关之线阵地；以炮兵第5、第23、第28团为炮兵集团，炮兵司令刘振蘅为指挥官，其主力占领凤楼阁、阳曲镇及栏岗村等阵地；以第85师及独立第5旅、第529旅为总预备队，分别配置于太原、城村、新店村附近；飞行队由陈栖霞为指挥官，负责轰炸由忻口南进之敌。各兵团接受命令后，当即于2日21时开始向指定位置转移。
在忻口撤守的同一天，阎锡山在太原召开军事会议，确定保卫太原的方针是：利用太原四周既设阵地线，实行依城野战，以阻敌前进，消灭其兵力，待我后续兵团到达，再施行反攻夹击而聚歼之。同时，委卫立煌为第2战区前敌总司令，除第18集团军（八路军）及第6集团军外，均归其指挥；委傅作义兼太原守备司令，并将第2战区长官部指挥所移驻交城。11月4日，阎锡山等纷纷撤离太原。
对于太原的守卫，周恩来一直非常关注。还在忻口战役刚刚开始的时候，即于10月12日向阎锡山等建议，必须转变作战方法，力争在忻口等地区求得小胜利。并指出，保卫太原，必须背靠山地，在野战中求胜利，不应以多数兵守城，或正面堵击。在太原军事会议上，周恩来对受领守城任务的傅作义说：“我愿代表中国共产党，还有全民族，诚恳地对你说一句话：抗日战争胜利的基础，在于广大人民群众之深厚的伟大力量，请你保重。”之后，周恩来一直坚持到11月5日夜，才和八路军驻晋办事处最后一批人员撤离太原。
晋北日军在获悉忻口守军撤退后，遂跟踪追击。4日，逼近石岭关。鉴于原预设阵地已难以立足，卫立煌遂决定将阵地转移于太原北郊。与此同时，由晋东方面西撤之部队，除第27路军及第17、第27师撤向太原附近外，其余部队均遭日军截击，被迫向榆次西南撤退。
6日，由忻口南下和沿正太路西进的日军相继逼近太原城郊。卫立煌除抽调第 68师（即独立第8旅）、第71师及独立第7旅等部增援第7集团军守备太原城外，将主力转移至太谷、交城之线，以阻止日军沿同蒲路继续南侵。
在外围防守部队相继南撤后，守卫太原城垣的部队，仅有第35军的9个营及独立第1旅、第213旅等部10个营，共约19个营的兵力。奉命增援守城的部队，除独立第8旅之一个营于6日21时渡过汾河进入城内，其余部队均因受阻而循汾河西岸南撤。这样，“依城野战”变成了“孤城独战”。
7日，东、北两路日军在太原附近之狄村、双塔寺等地会合，太原城西汾河河上各桥均为其占领，太原城被敌四面包围。日军以步、炮联合攻城，并出动飞机向城内狂轰滥炸。激战竟日，城外守军大部壮烈牺牲，余部于黄昏撤入城内据守。入夜，傅作义将军亲自登城指挥，鼓舞士气。8日晨，日军凭借优势火力继续攻城。战至9时，城垣东北角及西北角被日军轰陷，东、北两面城墙亦被轰开突破口十余处，敌趁机向城内猛冲。守军将士奋勇截击，至午后4时将各突破口封锁，仅在东北城角一处，仍与敌1000余人展开激烈巷战。黄昏后，日军一部空降于城中大校场，并四出袭击。守军官兵虽奋力血战，但终因伤亡过重，无力再战，被迫于21时由城南门突围，经文水向离石方向撤退。太原遂告陷落。
忻口、太原作战，历时一个多月，中国军民共毙伤日军2万余人。广大官兵英勇顽强，前仆后继，表现出中华民族不屈不挠的爱国热情。尽管由于中国军事当局在作战指导上有严重失误，处处防守，正面堵击，兵力分散，尤其是对娘子关方面的防御重视不够，致使娘子关失守，使战役全局陷入被动，以至太原被日军所占，但这次作战仍不失为抗战初期华北战场上规模最大、战斗最激烈、持续时间最久、战绩最显著的会战之一，也是国共两党合作抗日配合较好的一次会战。
日军虽然攻占忻口、太原，但是仍然没有达到歼灭中国军队主力的目的，因此香月清司下令第20师团与第19师团，继续沿着汾河与同蒲铁路，向南追击中国军队，日军最后一路攻到山西、河南与陕西交界黄河边的风陵渡。日军经过长距离的战场追击，并没有消灭中国军队主力，而此时日军的补给线已经拉得太长，兵力不足的问题也十分严重，而一度四散的中国军队，开始在日军补给线后方出没攻击，迫使在山西南部的日军收缩战线，以保持战果。