爲確保太原和解除晉北中國作戰部隊的後顧之憂，第2戰區司令長官部決定組織娘子關保衛戰，“以第1戰區由保定南移之部隊，進佔娘子關一帶山地，確實保守之，並相機進襲石家莊，威脅由平漢路南進之敵軍”(《第二戰區娘子關保衛戰作戰方針和指導要領》，國民政府軍令部戰史會檔案，中國第二歷史檔案館藏。)蔣介石命由平漢路撤退下來的第1戰區主力孫連仲、馮欽哉的第26、27兩路軍和曾萬鍾第3軍等部共約7個師的兵力，沿晉冀交通動脈正太路井陘至娘子關一線佈防，扼守晉東要隘娘子關，開闢保衛太原的東線戰場，由第2戰區副司令長官黃紹竑指揮。
平漢路方面日軍攻佔石家莊後，即新增土肥原師團在漳河一帶與商震第20集團軍展開激戰，並以川岸文三郎第20師團及108、109師團各一部和僞滿軍一師渡過滹沱河，由正太路進犯，企圖進出娘子關以西地區，威脅太原，並策應日軍第5師團在晉北方面的作戰。
中國軍隊向娘子關附近轉進，倉促進入陣地，立足未穩，日軍即跟蹤而至，向中國軍隊陣地發起猛烈攻擊。11日，日軍分別向井陘、賈莊發起進攻，並以一部約八九百人向第17師正面長生口繞攻，直抵舊關，進逼娘子關側後，中國守軍部署未定，部隊散亂，無法組織有效堵阻，井陘、長生口被突破，舊關也於12日失守。同日，黃紹竑命原定增援晉北的孫連仲第26軍回援，同時令第3軍向舊關、新關附近集結。是日夜，又令第17師以一部向長生口出擊，遲滯日軍前進，並固守娘子關以東要地雪花山。最初較爲得手，克復劉家溝、長生口等處，後遭敵反攻，雪花山守軍指揮官因疏忽致使陣地丟失。第17師發動反攻，損失嚴重仍未克復陣地，不得已退守乏騾嶺。
14日晨，日軍出動一個聯隊共千餘人，分別向舊關鎮及葦澤關侵入，遭到第26路軍第79旅迎頭痛擊。孫連仲另派第27師一部繞襲核桃園，分兵向關溝之敵猛烈夾擊，“激戰兩日，肉搏10餘次，當將關溝之敵殲滅殆盡”。(《孫連仲致蔣介石密電》(1937年10月16日)，國民政府軍令部戰史會檔案，中國第二歷史檔案館藏。)15日晨，第3軍第34旅由大小樑家亙王家嶺向舊關推進，同第26軍一部圍攻舊關，中國軍隊全線發起數次猛攻，激戰至晚間，“敵已有動搖模樣”。16日拂曉，日軍實施反擊，中國軍隊雖將關溝殘敵肅清，但舊關被包圍的日軍利用東南及西北高地頑抗，日軍並派飛機大力支援，中國軍隊無法展開攻勢。傍晚起，日軍向第27路軍工兵營所在的舊關西南高地反攻，將陣地突破。前往增援的第27軍教導團傷亡慘重，幾至全部犧牲。17日，中國軍隊繼續攻擊，擬先切斷舊關之敵後路，然後將其殲滅，而日軍又大舉反攻，雙方激戰，肉搏10餘次，傷亡均重。中國軍隊以火力封鎖了核桃園至舊關的通路。
19、20兩日，日軍由正面向乏騾嶺中國第17師陣地攻擊。中國守軍在趙壽山師長率領下與敵殊死搏殺，傷亡慘重，全師13000餘人，僅剩2700人，被迫撤離，陣地失守。而舊關至核桃園一帶之日軍則連日遭中國軍隊的攻擊，山溝中陳屍累累，傷亡甚重。殘敵千餘退守舊關附近高地。19日，日軍第20師團長接到攻佔陽泉平原的命令，決定兵分兩路，右縱隊沿井陘、新關至石門口大道及其以北攻擊前進;左縱隊共步兵4個大隊、山炮兵1個大隊沿測魚鎮至石門口大道前進，即迂迴攻擊娘子關中國守軍的右側背。(日本防衛廳防衛研究所戰史室：《中國事變陸軍作戰史》第1卷第2分冊，第72～73頁。)當日奉命增援晉東的第18集團軍第129師到達陽泉，奉令進駐馬山村、七亙村一帶，掩護娘子關守軍右側背。
21日，中國軍隊繼續進攻舊關之敵，日軍據高頑抗，至晚11時，核桃園及大小龍窩完全被中國方面佔領。娘子關正面日軍得到增援，則用飛機、火炮協同步兵猛攻北峪、(1000)標高地及南峪以北附近高地中國軍隊陣地，北峪等陣地被其突破。22日拂曉，日軍猛烈進攻南峪東南(1000)標高地等地，(1000)標高地“守兵全數殉國，敵迫近地都”。黃紹竑決定縮短防線，將剩餘部隊移至錦山及娘子關以北高地固守，以節兵力，同時令第27軍在臭水、桃林坪、觀音陀山一帶構築陣地。(《黃紹竑致蔣介石密電》(1937年10月22日)，國民政府軍令部戰史會檔案，中國第二歷史檔案館藏。)第26軍已在娘子關血戰八晝夜，兵力不滿6000人，應付娘子關正面長達50餘里的防線，實感困難。孫連仲請求增援，閻錫山命令自四川步行北上的川軍第122師、第124師沿正太線前往增援。此後直至26日，娘子關正面中日雙方軍隊一直處於對峙狀態。
日軍左縱隊由橫口車站渡河西進，23日到達南障城，並以大部南下測魚鎮方面，一部約二三百人抵達劉家珊、固欄村附近。24日，測魚鎮方面步騎聯合之敵3000餘人在七亙村遭到第129師386旅771團阻擊，因衆寡懸殊，該團損失較重。日軍向馬山村進攻，剛到該處之川軍一部被擊退。爲縮短陣線，中國軍隊當日令第3軍由固蘭村後撤，日軍一股約300人遂乘機由中國軍隊陣地空隙竄入十家路、亂安村，向固驛鎮中國軍隊右側背進攻。黃紹竑急令第122師一部與第3軍向敵夾擊，但至25日，敵左縱隊已全部到達固驛鎮附近，與中國守軍發生激戰。
25日，日軍以一部騎兵爲主體，由馬山村方面闖入中國方面第3軍右翼後十字道、亂安村及固驛村南端高地，同守軍展開激烈爭奪。同時在西回村西方高地，川軍第122師同日軍遭遇，發生激戰。此時，馬山村至平定道路除第122師外，已無兵可派把守。爲防止日軍斷我後路，26日，黃紹竑與閻錫山會商後，“抱最大決心以26路軍留一小部守娘子關，主力移至巨城鎮、移穰鎮，進出柏井驛、橋頭村，以本日第二次新加入之川軍124師之一旅推進石門口，準備對敵總攻”，(《黃紹竑致蔣介石密電》(1937年10月26日)，國民政府軍令部戰史會檔案，中國第二歷史檔案館藏。)並調馮欽哉部3個團，準備於上下盤石至巨城鎮間抗拒娘子關方面敵軍。娘子關主陣地遂於是日被日軍突破。守軍旋即按計劃全線撤退，晉東門戶娘子關失守。
