日軍第5師團長板垣接受了攻佔太原的命令後便指揮所屬第21旅團和關東軍混成第2、第15旅團向太原發動進攻。10月3日，日軍第5師由大營鎮出發，6日在代縣集結。混成第2、第15旅於10月1日由代縣沿公路分別向崞縣、原平進攻。 [10] 此時，第2戰區第19軍王靖國部憑藉有利地形，對日軍的進攻奮力抗擊，遲滯了敵軍的行動，併爲主力部隊集中佈防贏得了時間。
10月4日，日軍佔領陽明堡，接着圍攻崞縣城，被守軍第19軍擊退。10月5日，日軍一部攻擊陽方口獨立第7旅陣地。經徹夜激戰，陣地被日軍突破，該旅於6日退守段家嶺、瓦窯、焦家寨、軒崗一帶。當日日軍佔領寧武城。是日14時，日軍獨立混成第2旅團逼進崞縣北關外西橋一帶，第19軍2個團的陣地被毀，傷亡慘重。日軍混成第15旅團同時攻擊原平。在此地防守的第196旅與敵浴血搏鬥，日軍連續衝擊五六次，均被守軍擊退。
右翼軍總司令朱德和副總司令彭德懷於10月3日即命令第120師主力協同晉軍獨立第7旅利用神池、寧武西南山地遲滯日軍進攻;並令宋(時輪)支隊盡力破壞雁門關、岱嶽鎮、懷仁一帶橋樑、道路、電線，襲擊日軍的小部隊，令李(井泉)支隊在利民堡、神池、八角堡地區之間尾襲南進之日軍 。朱德、彭德懷隨即於6日12時又電令第129師由同蒲路運至河邊村轉五臺，準備協同第115師從臺懷間向平型關、繁峙、渾源出擊。
10月7日，日軍獨立混成第2旅團在飛機、大炮支援下猛攻崞縣城西北，中國守軍殘部退出崞縣城，轉移於辛章村附近。日軍即跟蹤追擊到辛章村附近，攻擊原平之日軍混成第15旅團與守軍第196旅形成對峙狀態。
10月5日，第14集團軍先頭第9軍(欠第47師〕到達忻口，佔領忻口附近之南懷化一帶陣地。 10月6日，閻錫山下達對日軍出擊的命令 。10月8日，閻錫山於命令各軍放棄10月6日發佈的對日軍出擊的作戰計劃，全線改取守勢。
10月10日，第14集團軍主力到達忻口，佔領忻口東西一線陣地 ，同時日軍猛攻原平。10月11日，原平遂陷，中國第二戰區忻口前線部隊已全部進入指定位置，佔領了陣地。第二戰區作出進一步的調整部署：將中央軍擔任的25至30公里的正面防線再劃分爲3個作戰地區，將中央軍區分爲3個兵團，分別防守3個作戰地區。並令傅作義率總預備軍加入中央軍作戰。仍由衛立煌任總指揮，傅作義任副總指揮。
10月12日，第2戰區又令第7集團軍總司令傅作義率第35軍及第61軍之獨立第2、第3旅等部開赴忻口一帶，協助中央集團軍作戰。中央集團軍總司令衛立煌將先後到達忻口地區的部隊區分力三十兵團：以第15軍軍長劉茂恩指揮第15、第17軍爲右翼兵團;以第9軍軍長郝夢齡指揮第19、第35、第61、第9軍爲中央兵團;以第14軍軍長李默庵指揮第14軍及第85、第66、第71師爲左翼兵團。各部隊由衛立煌統一指揮，在12日前展於忻口以北龍王堂、南懷化、大白水、南峪之線，準備與敵決戰。
在日軍準備向忻口進犯時，八路軍各部隊即根據中共中央軍委和八路軍總部的部署，向敵側後展開了積極主動的攻擊。第115師獨立團於10月10 日夜，攻佔淶源縣城。第120師之第358旅主力於10月8日，夜襲寧武縣城。 該師雁北支隊於10月1日襲佔朔縣以北之井坪鎮(今平魯縣城)，4日又收復平魯縣城(今平魯鎮)。接着該支隊對同蒲鐵路朔縣至大同段展開破襲戰，10日在辛莊伏擊敵運輸隊，隨即逼近大同。當日軍主力於10月中旬向忻口陣地發起攻擊後，八路軍向該敵兩翼及後方廣泛展開了游擊戰。
守軍反擊失利
日軍在10月8～11日佔領崞縣、原平後，企圖一舉攻佔忻口，直趨太原。10日，其第5師從代縣向忻口前進。12日，日軍各部隊集結於原平附近。板垣徵四郎將混成第15旅及堤支隊等部編爲右翼隊，第5師力左翼隊，於13日開始向忻口陣地攻擊。因兩翼有五臺山和雲中山相阻，日軍集中5000人兵力，在飛機30餘架、坦克50餘輛、炮50餘門掩護下，採取中間突破的戰法，向中央兵團第9軍第54師之南懷化陣地及左翼兵團之閻莊陣地發起猛攻。 戰至10時許，南懷化沿河工事被毀，守軍傷亡殆盡，日軍乘機渡河，突破南懷化陣地 。郝夢齡即以第17軍第21師2個團增援堵擊，衛立煌派第14軍之第10師及第61軍新編第4旅協力夾擊突入之敵。激戰終日，斃傷日軍3000餘人，擊毀坦克22輛，恢復南懷化東南高地。向閻莊進攻之敵，至黃昏時，增加到3000餘人，突破守軍前沿陣地。
10月13日夜，衛立煌組織部隊向日軍實施反擊，企圖圍殲突入之敵。14日2時，反擊開始後，中央兵團之第35軍第218旅向南懷化以北之弓家莊日軍反擊。日軍1000餘人則向第9軍第54師之第161旅下王莊陣地攻擊。第218旅以一部增援第161旅，旅長董其武率另一部繼續向弓家莊日軍反擊，7時攻克弓家莊。8時，日軍1000餘人，坦克10輛在飛機15架、炮20餘門的掩護下，向下王莊至弓家莊一線反撲。 守軍連續打退敵人四次衝鋒，董其武身受重傷，仍率部將日軍擊潰。在中央兵團對南懷化附近日軍開始攻擊之際，日軍亦增兵向南懷化反撲，戰鬥甚爲激烈。經一日激戰，南懷化陣地又爲日軍佔領。右翼兵團經一日激戰，於20日將當面日軍壓迫於滹沱河東岸至靈山腳下一帶;左翼兵團於拂曉攻佔舊練莊，遇日軍增援部隊反撲，激戰終日，成對峙狀態。
10月14日20時許，衛立煌親率獨立第5旅至忻口督戰，將指揮關係作了調整：由第61軍軍長陳長捷指揮第21師、獨立第2、第3旅(欠第4團)及新編第4旅，負責肅清南懷化之敵 ;由郝夢齡指揮第54師附第217、第218旅及獨立第3旅之第4團等部，擔任忻口-正面守備及向當面之敵反擊。
10月15日，忻口正面守軍向中泥河、東泥河之敵反擊，曾一度攻佔中泥河，但在日軍增援到達後，被迫撤回。攻佔南懷化之日軍，自拂曉起，繼續向1300高地攻擊，情勢極爲嚴重。左 、右翼兵團經一日激戰，仍與日軍處於對峙狀態。
10月13日至14日，八路軍第115師之第344旅主力在平型關東北小寨村附近，斷絕日軍交通。15日，截擊由靈丘方向駛來的日軍汽車130餘輛，並打退該敵一個營的數次反撲，迫其退回靈丘。接着第344旅主力幹當日夜襲團城口，隨後收復平型關及渾源具城。第344旅之第688團於15日夜襲沙河鎮日軍，繳獲大批糧秣和軍用物資。18日，該團又一舉攻克繁峙。
10月15日，八路軍115師獨立團於廣靈以南之馮家溝設伏，殲滅日軍步騎兵100餘人，繳獲滿載軍用物資的大車120餘輛、騾馬300餘匹。16日乘勝收復廣靈縣城。隨後收復靈丘、蔚縣、易縣、渾源、陽原等縣城。向冀西挺進之騎兵營等部，於18日克復曲陽縣城。至29日，騎兵營等部又連克平山、唐縣、完具等城，嚴重威脅了日軍平漢鐵路北段的交通。經20余天的作戰，第115師先後收復縣城10座，切斷了張家口至代縣間日軍後方交通線。第120師向進攻忻口之日軍右翼及後方展開廣泛襲擊。其第358旅旅部率第715團於10月13日夜向崞縣西南之日軍進擊，一舉攻佔大牛店。隨即於14日乘勝向南北大常、永興村之敵進襲，斃傷日軍120餘人。第358旅之第716團深人日軍側後，打擊敵人的運輸隊。18日，該團在黑石頭溝公路兩側進行伏擊，斃傷日軍300餘人，擊毀汽車20餘輛。20日夜，又以一部襲佔雁門關;另一部破壞了廣武至大和嶺間的公路及橋樑，一度切斷了雁門關至忻口的交通。
陣地對峙戰鬥與忻口守軍撤退
衛立煌鑑於南懷化爲全線鎖鑰，關係忻口戰役的全局，遂決定集中第21師、獨立第2、第5旅及新編第4旅等部共5個旅的兵力，殲滅南懷化日軍;並以第68師由秦家莊、舊練莊向前後城頭行動，夾擊該敵。限於16日零時前後開始攻擊。閻錫山得知當面之敵增加，恐中央集團軍兵力不足，遂電令朱德總司令指揮所屬截斷敵後交通，以阻敵續增;並即派第73師及第101師之第201旅等部，迅速輕裝赴忻縣，歸傅作義指揮。
10月16日2時，南懷化陣地反擊戰正式展開。第218旅由弓家莊向南懷化敵側背攻擊，7時攻佔舊河北，9時佔領南懷化北端河岸。是時，日軍飛機10餘架，協助其地面部隊一再反撲，終被擊退。郝夢齡率部向佔領南懷化之敵奮勇反擊，陣地得而復失、失而復得，戰鬥異常激烈。經晝夜激戰，佔據南懷化以南之日軍，大部被殲。此戰，日中雙方軍隊均傷亡數千人， 9軍軍長郝夢齡中將、第54師師長劉家琪少將(犧牲後被迫晉爲中將)、獨立第5旅旅長鄭廷珍少將等，均壯烈殉國。連日鏖戰，部隊傷亡慘重，衛立煌除派陳長捷統一指揮中央兵團各部隊繼續作戰外，並電呈蔣介石，請求迅籌援軍。蔣介石即派第22集團軍之第41軍由潼關一帶兼程馳援。閻錫山也急令第94師及第177師之第529旅由五臺山之耿鎮、龍泉關一帶星夜趕赴蘭臺鎮、二十里鋪間，歸衛立煌指揮。
與此同時，日軍汽車400餘輛，滿載步兵，由團城口西進。衛立煌遂決心固守陣地，以等援軍到達，再行反擊。乃令第217、第218旅分別撤至忻口附近集結;第54師界河鋪北岸之一部亦撤至界河鋪以南佔領預備陣地。並以第19軍軍長王靖國爲中央兵團總指揮，第61軍軍長陳長捷爲副總指揮。是日24時，衛立煌又對部隊部署作了調整，將部隊區分爲左地區隊、右地區隊、中央地區隊(即原左、中、右翼兵團)，分別配置於張家莊、靈山、界河鋪、大白水、南峪之線陣地，待後續部隊到達，再由兩翼轉移攻勢，包圍殲滅當面之敵 。
10月17日至19日，日軍陸空協同不斷向中央集團軍之靈山、南懷化東北高地、官村、大白水等陣地猛烈攻擊。守軍擊毀其坦克、裝甲車各20餘輛，使日軍攻擊未能得逞。自20日起，日軍先後對中央集團軍各陣地施放大量催淚性毒氣，並向守軍陣地實施爆破。
日軍在地面攻擊受挫，遂由代縣西南之陽明堡機場頻繁出動飛機，加緊了對忻口陣地的轟炸 。此時，八路軍第129師先頭部隊第769團，進抵滹沱河南岸蘇龍口一帶，發現日軍飛機不斷由北岸的陽明堡機場起飛，遂決定出其不意，夜襲機場。
10月19日凌晨，第769團各部隊分別進至預定地區。擔任主攻的第3營順利偷渡滹沱河，潛入機場，發起攻擊，經過1小時激戰，共毀傷日軍飛機24架，殲滅日軍100餘人，八路軍傷亡30餘人，營長趙崇德殉國。
“129師之陳錫聯和謝富治團，乘黑夜襲入陽明堡機場，燒燬日機二十餘架，殲滅守敵約一個大隊”10月22日，日軍增援部隊萱島支隊也投入了戰鬥。守軍頑強抗擊 ，並適時組織反突擊，雙方形成拉鋸戰，戰至11月1日，守軍雖“戰鬥員傷亡三分之二以上”，“日耗兩團上下 [26] ”，但陣地仍巍然屹立。
10月23日，八路軍第359旅(欠第718團)在陽明堡西南之王董堡伏擊日軍運輸隊，毀敵汽車7輛。此後 ，不斷襲擾過往日軍，使敵交通運輸進一步陷入癱瘓。由於第115師和第120師的積極作戰，使進攻忻口之日軍與大同、張家口的交通中斷，糧、彈、油料等供應斷絕，迫使敵人不得不借飛機來輸送給養。衛立煌10月24日在給蔣介石的密電中稱：“敵自雁門被截斷，糧秣極感困難，現向地方徵發雜糧中。 ”爲此，國民政府軍事委員會連電嘉獎，蔣介石於10月17日致電朱德、彭德懷：“貴部林師及張旅，屢建奇功，強寇迭遭重創，深堪嘉慰。 ”
忻口前線守軍與日軍對峙了20餘日，日軍無法前進，其後方及交通運輸線又受到第18集團軍游擊戰的嚴重威脅，陷於被動的境地。但晉東守軍防禦失利，娘子關、平定、陽泉等地相繼失守，部隊正在向太原潰退，因此閻錫山於10月31日夜間決定忻口地區的守軍全線後撤。 [29] 11月2日10時，衛立煌遵照閻錫山的電令，下達轉進命令。
忻口地區前線各兵團遵照衛立煌命令，於2日黃昏後脫離陣地向後撤退，由於事先已有撤退的準備與部署，因此秩序尚好。日軍於當夜發覺守軍撤退，於3日拂曉發動追擊，爾後從太原北方協同由晉東進入太原附近的日軍會攻太原。
歷史意義
忻口戰役沉重打擊了日軍囂張氣焰和不可一世的驕蠻姿態，極大地增強了中國軍民抗戰必勝的信心，是全面抗戰開始後國民黨與中國共產黨緊密配合下取得的一次成功的防禦戰，各部隊密切配合，協同作戰，以傷亡10萬餘人的代價，殲滅日軍2萬餘人，創造了華北戰場殲敵最新的紀錄。
