平型關戰役之后，日軍的兵鋒雖然遭到重挫，但是第五師團依然沒有放棄既定的戰略目標。9月28日，日軍攻占了茹越日，中國軍隊退守繁峙以西的鐵角嶺。日軍又跟蹤而來，經過血戰，鐵角嶺失守，繁峙也于當夜失陷。平型關中國守軍后路被斷，情勢危急。為免遭包圍，中國軍隊放棄平型關，向五臺山的代縣、雁門關至陽方口之線轉移。日軍在占領茹越日、鐵角嶺、平型關之后，會師于繁峙，于10月1日攻占代縣，30目越過陽方口，向晉北交通要點寧武進攻。至此，中國軍隊內長城防線又被敵突破，日軍逼近忻口。
為了報復中國軍隊在塞北重創察哈爾派遣兵團，日軍于10月1日開始，集中海軍、航空兵協同地面部隊發起新的攻擊。北路以山室宗武第11師團指向廣福、陳家行；南路集中第3、第9、第13、第101師團強渡蕰藻浜，向大場、南翔進攻，以切斷大場至江灣地區守軍與外界聯系，使之成為孤軍。
與此同時，日軍華北方面軍主力一部沿津浦路南下直奔濟南而來。而第五戰區的的韓復渠面對日軍的瘋狂進攻卻絲毫沒有辦法，除了命令部隊不斷的后退什么也做不了。
與此同時，日軍千余人向陽明堡進攻，與中國第十九軍一部發生激戰，并侵入陽明堡。2日，在飛機、大炮配合下進攻崞縣。4日，日軍混成第十五旅團從崞縣以西迂回，向原平鎮猛攻。此時，從平漢路石家莊調來的衛立煌部還沒有趕到，由五臺山向忻口轉移的晉綏軍兩天后才能到達，形勢十分危急。為使主力部隊有充裕時間集結忻口與敵決戰，第二戰區司令部命令中國守軍死守崞縣、原平，以待后續部隊到達、5、6兩日，日寇集中炮火對崞縣中國守軍猛烈轟擊，陣地幾乎完全被炸。第十九軍第四零七團官兵傷亡極為慘重。7日，圍攻崞縣的日軍增加到五、六千人。日軍以飛機20余架、野重炮30余門對縣城狂轟濫炸6個小時，北城墻被毀，第四十一團傷亡殆盡，敵人乘機突入。東西城墻守軍奮勇夾擊，與敵人展開巷戰肉搏。入夜，中國守軍各級軍官親自率軍堵擊敵人，日軍有增無減，局勢無法挽回。8日，王靖國軍長不得不率余部突圍，崞縣陷落。
日軍除少部分留守占領區后，大軍繼續南下，兵鋒直指平原鎮。原平鎮守軍為姜玉貞第一九六旅。為使主力能完成在忻口的集結，第二戰區長官部命令他“雖剩一兵一卒，也得在原平死守七天（從10月1日算起）”。在部隊由代縣向原平轉移的途中，日軍已經在背后追趕了。在距原平還有20里的地方，姜旅即與敵獨立混成第十五旅團接火，且戰且退。在原平鎮外，姜玉貞命令所部構筑工事，死守鐵路和公路。日軍憑借優勢裝備，在飛機、重炮、戰車的配合下，向原平發起猛攻。姜玉貞親臨指揮，敵人多次進攻被打退，姜旅傷亡日益慘重，陣地逐漸縮小，日軍形成對原平的包圍態勢，最后，姜旅不得不退入城內。
到第7天，日軍從城東北角突入，占領城的東半部，與姜旅隔街相抗。這時，姜玉貞又接到命令，命他再守3天。他當即表示：“誓死抗戰，無令不離斯士。”10月8日崞縣失守后，大量日軍圍援原平，城的西北部也被攻占。此時姜旅的五千人，還只有二、三百人，被圍困在城東北角，但將士們毫無懼色，在姜玉貞率領下與敵展開巷戰，短兵相接，逐院爭奪。一直堅持到10月10日子夜，完成了守城任務。之后，姜玉貞率余部突圍，不料，在城外被敵炮彈擊中，以身殉國。11日，日軍占領原平。
崞縣、原平失陷后，忻口完全處在日軍直接攻擊之下。忻口為晉北通往太原的門戶，是保衛太原的最后一道防線。為了保衛太原，國民黨第二戰區指揮部集中6個集團軍，共31個師、13個旅，約28萬多人，由第二戰區副司令長官衛立煌任前敵總指揮，組織了忻口會戰。具體兵力部署為；以第九、十五、十七、十九軍及第十四集團軍等部組成中央兵團，由衛立煌副總司令指揮，負責守衛蔡家崗、靈山、南懷化、陽明堡一線陣地；以第十八集團軍（除一二零師）、第七十三師、第一零一師等部組成右翼兵團，由第十八集團軍總司令朱德指揮，守衛五臺山一線陣地；以第六十八、六十一、一二零師及獨立第七旅等組成左翼兵團，由第六集團軍總司令楊愛源指揮，防守黑峪村迄陽方口一線陣地；以第三十四軍、三十五軍和第六十六師等部為預備隊，由第七集團軍總司令傅作義指揮，在定襄、忻縣一帶策應各方。
而日軍參加忻口會戰的兵力共約3個師團，7萬余人，并配有350多門大炮，150多輛戰車和300架飛機。
10月12日，第二戰區司令部重新調整部署，調傅作義的預備兵團加入中央兵團作戰，與敵繼續在忻口一線作戰。13日，日軍調集五千余兵力，在飛機、大炮和戰車掩護下向忻口中央陣地——南懷化猛攻，試圖實施中央突破。在日軍的猛烈進攻下，南懷化陣地幾乎被夷為平地。中國守軍雖身陷焦土，仍英勇殺敵，激戰至深夜，陣地13次易手，終于將突入南懷化之敵包圍殲滅。
14日，日軍增兵數千，再次猛攻南懷化陣地，中國守軍與日寇展開更為激烈的戰斗。右翼中國守軍第十五軍與敵戰至傍晚，將日軍一部趕至靈山腳下；左翼第十師則將敵一部擊潰，收復了舊練莊等地，但南懷化主陣地陷于敵手，防線上出現破口，拉鋸戰愈加慘烈。
10月15日，中國第二戰區司令部為了進一步擴大戰果，殲滅敵人，收復中央陣地，調第九軍、第二十一師等部約5個旅兵力在中央兵團總指揮、第九軍軍長郝夢齡的指揮下，向日軍占領的陣地發起反攻。中國軍隊從正面出擊，從三面圍攻敵人。
16日凌晨2時，反擊開始。在郝夢齡的指揮下，中國軍隊連克幾個山頭，到5時許，天色微明，郝夢齡急于趕到第5旅的前沿陣地指揮作戰，官兵們告訴他，前面有一段路被敵人火力封鎖十分危險，勸他寫書面命令派人送去，郝軍長說：“瓦罐不離井口碎，大將難免陣前亡。”說罷毅然向前沿陣地奔去，在穿過離敵僅二百米的陣地時，不幸中彈壯烈犧牲，年僅39歲。同時犧牲的還有五十四師師長劉家祺，接著獨立第五旅旅長鄭連珍也陣亡殉國。
由于忻口中國守軍的勇敢作戰，日軍自10月13日開始進攻忻口中央陣地，到10月底，雙方激戰半月之久，日軍始終未能完全占領這些地區。
日軍在忻口附近受到中國軍隊的頑強抵抗，進展甚微，于是在10月中旬派兵沿正太路向太原進攻。駐守在正太路娘子關隘口的中國守軍是國民黨第二戰區副司令長官黃紹竑所部。自10月11日開始，日軍與中國守軍在正太路及娘子關周圍地區進行戰斗。14日，中國守軍在娘子關附近得到孫連仲所部的增援，立即對進犯之敵進行反，當日即斃敵數百名。15日，又將侵入關溝之敵1500多人大部殲滅，并于次日拂曉發動全線進攻，與敵血戰肉搏，痛殲敵軍。但到19日，日軍援兵大量增加，并得到飛機、火炮的有力配合，中國軍隊雖繼續奮勇戰斗，終因力量懸殊，逐漸轉為劣勢。26日，娘子關遂被日軍攻陷。娘子關失守，忻口中國守軍處于腹背受敵的境況。11月2日，第二戰區司令部不得已下令忻口守軍撤退，保衛太原。灑滿中國將上鮮血的忻日于當日被日軍占領，戰事轉向太原。
口戰役從10月11日開始至11月2日結束，苦戰23天，經過南懷化之戰、紅溝大戰、大白水激戰等無數次大小戰斗，戰事形成對峙，日軍三易其帥而無濟于事，成為抗戰初期在華北戰場上最激烈的戰役，也是歷時最久，交戰雙方傷亡最大的一次戰役。抗日軍隊先后加入戰斗兵力計約16個師10萬余人，死傷5萬余人；日軍投入兵力約5萬余人，死傷兩萬多人。這次會戰雖然中國方面失利，付出了重大犧牲，但是由于中國守軍英勇抵抗，從而消耗了大量敵軍，爭取了時間，破壞了日軍的河北平原會戰計劃，使平漢線中國軍隊得以南撤。
忻口會戰之后日軍原本想乘勝直取太原，但是大本營卻直接命令忻口前線的日軍主力第五師團立即北上進攻晉北重鎮大同。
11月6日，日軍第五師團第九旅團攻占朔州，大軍繼續向大同方向開進。
朔州.日軍第五師團臨時指揮部。
第五師團師團長板垣征四郎志得意滿地坐在主位上，他有理由自豪也有理由驕傲，開戰不久他便率領大軍攻破支那精銳之師第13軍駐守的軍事重鎮南口，重創支那政府中央軍精銳，隨后大軍一路南下西進，勢如破竹，支那軍隊望風而逃，兵鋒所指所向披靡。
幾天前他有攻占了太原的門戶忻口，要不是大本營突然來了這么一道命令，現在他恐怕已經攻占自己那位老同學閻錫山的老巢太原了。