忻口战役从1937年9月下旬起，日军将其在华北作战重心转到山西。

　　1 0月1日，日本内阁四相会议决定了《处理中国事变纲领》，设想通过10月攻势完成对华北和上海的占领，然后与南京政府谈判解决中国问题。同日，日本统帅部不顾板垣第五师团在平型关的受挫，命令察哈尔派遣兵团位于内长城的部队加入第五师团，以板垣为前敌总指挥，进攻太原。

　　10月2日，阎锡山由五台山回到太原，急忙制定了保卫太原的计划，决定首先在忻口地区组织防线。蒋介石派黄绍竑任第二战区副司令长官，令卫立煌第十四集团军开到忻口地区。经周恩来与阎锡山、卫立煌等商定忻口防线的兵力部署是：第十八集团军、第七十三师、第一零一师及新编第二师为右翼集团军，由朱德总司令指挥，在五台山之线占领阵地;第十七军、第三十四军、第一九六旅为中央集团军，由卫立煌总司令指挥，在蔡家岗、灵山、界河铺、南怀化之线占领阵地;第六十八师、第七十一师、第一二零师及独立第七旅为左翼集团军，由杨爱源总司令指挥，在黑峪村迄阳方门之线占领阵地;第三十四军、第三十九军，第六十一军，第六十六师及独立第二、第三旅为总预备集团，由傅作义总司令指挥，位于定襄，忻县一带策应各方。

　　10月2日，板垣接到华北方面军进攻太原的命令。4日，察哈尔派遣兵团第二、第十五混成旅团分别向崞县、原平发起猛烈进攻。崞县守军经过3天激战，伤亡惨重，王靖国军长率余部于8日凌晨突围。原平守军第一九六旅，与日军进行了6天激烈战斗，全旅官兵伤亡殆尽，旅长姜玉贞壮烈牺牲，原平陷入敌手。晋绥军在崞县、原平的英勇抵抗，从正面延缓了敌人的进犯，使增援的部队得有充裕时间集结于忻口地区，组织忻口战役。

　　忻口战役是华北抗战中最激烈的一次战役。忻口位于忻(县)定(襄)盆地北端，是五台山、云中山两山峡谷中的一个隘口，地势险要，自古为军事要地，中国军队据险而守。由板垣指挥的第五师团1个步兵旅团和独立混成第十五旅团等2万余人，凭藉着优良的武器，在飞机、大炮和战车掩护下，从10月13日起，向中国守军防守的南怀化、灵山等阵地发动了猛烈的进攻。中国守军英勇顽强地抗击了敌军，用自己血肉之躯堵挡了敌人的进攻，常常是在我军伤亡殆尽的情况下，阵地才被敌人占领。第十四军刘戡师防守髽髻高山，敌于12日未刻起以重轰炸机20余架向九十八团髽髻山阵地往复轰炸数小时，投弹数百枚。13日拂晓迄午，敌复以轻重炮数十门掩护步兵团1个联队向髫髻山攻击，发炮2000发，中国阵地工事全成灰土。守军浴血抗战，与敌展开肉搏，阵地进出数次，均将敌击退。团长曾宪邦两次饮弹后殉国，营长三员相继负伤，连长以下官兵伤亡殆尽。至午后一时许，阵地遂被敌攻破。南怀化为我军防守重点阵地，该阵地多次失而复得，敌军付出重大代价也不得取得，双方形成胶着状态。在20日南怀化战斗中，中央兵团指挥官第九军军长郝梦龄、第五十四师师长刘家棋和第五旅旅长郑廷珍，身先士卒，亲临前线作战，相继为国捐躯。

　　八路军在战略牵制、战役协同及战术上直接配合了忻口守军作战。首先八路军三师分别深入晋东北、晋北日军后方和侧翼作战，有力地打击了敌人。第一一五师一部深入晋东北，接连收复晋西北、冀西广大国土，将平型关、蔚县至张家口的交通线完全截断，并威胁到平汉、平绥两铁路交通。在雁门关南北活动的第一二零师，曾多次收复雁门关，并破坏大同至崞县公路上的桥梁、险隘、电线，袭击日军辎重车，阻挠、迟缓敌人的增援，逼使敌人疲于奔命，无法保持其交通安全。由于这两条作战生命线的被截断，使日军陷入了非常困难的境地，因缺乏粮食，不得不以抢劫的小米杂粮充饥。同时，由于八路军第一二九部七六九团1个营在10月18日夜偷袭日军阳明堡飞机场，炸毁日军飞机24架，使疯狂的日本空军也不得不稍事收敛。

　　到10月中旬，中国军队因伤亡严重得不到补充而感到严重兵力不足。卫立煌多次电请蒋介石增派援兵，而蒋却把军队集中在上海而不肯调兵到山西。10月10日，沿平汉路南进的日军攻占百家庄。因日军在忻口受阻，华北方面军在命令第二十、第一零八、第一零九师团各一部沿正太路向西攻取太原。10月上旬，中共中央领导人毛泽东曾提出：保卫太原战役之关键在于，“娘子关，龙泉关之坚守”。要求南京速加派生力军3到4个师位于娘子关。并提议任命黄绍竑为东路各军之总司令。但国民政府军仅有冯钦哉的第二十七路军和第三十八军第十七师及教导团、曾万钟第三军布防在娘子关一线;后虽调来孙连仲第二十六路军防守娘子关，又有八路军第一二九师开到晋东配合作战，但仍然是兵力不足，没法阻止日军的强大攻势。10月26日，日军采取迂回战术攻克娘子关旧关，平定、阳泉、寿阳接连失守。寿阳失守当天，阎锡山见晋东失利，便下令部队从忻口撤退，固守太原。

　　忻口战役，中国守军奋勇抗击敌军23天，歼敌两万余人，创抗战初期华北战场最好战果。同时，正面阵地战和敌后游击战相结合，创国共两党军队在战役上相互配合的范例。但此次战役仍不能彻底取胜，达到歼灭敌人有生力量和保卫山西和太原的目的，以致太原失守，敌人长驱直入，迅速攻占全山西。