閻錫山為確保平型關，於23日致電朱德，要求八路軍配合作戰，同時令傅作義率領預備軍增援平型關，新編第2師赴西河口地區待命，第71師向大營東北地區前進，第72師向砂河集結待命。
朱德接電後，同彭德懷立即電令：“一一五師立即向平型關、靈丘間出動，機動側擊向平型關進攻之敵，但須控製一部於靈丘以南，保障自己之右側”（中央文獻研究室編：《朱德傳》人民出版社、中央文獻出版社1993年版，第411頁），並回電閻錫山，報告進攻準備情況。
9月24日，傅作義率預備軍兩個旅達到平型關，日軍亦增兵5000人，分別向東西跑池、1886.4高地、團城口及講堂村各處猛攻。因我軍傷亡過重，東、西跑池及1886.4高地再度陷於敵手。團城口位於平型關北5公裏處，為平型關隘前的製高點，因此，當天，傅作義、楊愛源與八路軍第115師聯絡參謀共同商討決定次日拂曉以第71師和第115師合擊團城口之敵，並作出了“二十五日平型關出擊計劃”，要求115師按原計劃從平型關東南出擊。
第115師接到命令後即於24日當夜由冉莊向白崖台進發。指戰員們冒著傾盆大雨，拂曉前到達陣地。由於24日白天第115師偵察到日軍第21旅團開始向平型關方麵運動，遂決定在靈丘通往平型關的最險要地段即小寨村至老爺廟的山溝公路兩邊設伏，並決定第343旅之第685團、第686團擔任主攻任務；第344旅之689團負責向靈丘方麵警戒並斷敵退路，第688團為預備隊；獨立團和騎兵營插到靈丘與淶源之間和靈丘與廣靈之間，以截斷敵人交通線。25日淩晨，日軍第21旅團第21聯隊之第3大隊，攜帶大批輜重車輛，沿著公路西進，開始進入第115師伏擊地段。7時許，當驕橫的日軍全部進入伏擊圈後，指戰員迅速出擊，居高臨下，向敵發起猛烈襲擊，采取攔頭斷尾，中間突擊，分別殲敵的戰術，與敵展開激戰。至下午1時許，戰鬥基本結束。是役，第115師殲敵近1000人，擊毀汽車100餘輛，馬車290餘輛，繳獲步槍1000餘支，機槍20餘挺，野炮1門，以及大量軍用物資。我軍亦傷亡1000餘人（王秀鑫、郭德宏：《中華民族抗日戰爭史》黨史出版社1995年版，第185頁）。平型關殲敵戰是八路軍出師抗戰以來的第一個大勝仗，也是華北戰場上中隊主動尋機殲敵而又首次取得勝利的戰鬥。由於此役的勝利，也為閻錫山籌劃的整個平型關戰役爭了光，所以，閻錫山感到很欣慰。
盡管如此，卻未能扭轉中隊在整個平型關戰役中的被動局麵，先是傅作義等“合擊團城口”之敵的計劃，因高桂滋第17軍不顧大局，在敵重壓之下退出團城口陣地而告失敗，雖然後來閻錫山組織力量要奪回團城口，但因敵也增兵團城口，致使敵我雙方在團城口一線呈對峙狀態，直至9月29日，日軍終未能越雷池一步，中隊也無法全殲敵於平型關外。但是，當平型關鏖戰正激時，從9月27日開始日軍又進攻茹越口，在日軍向茹越口發動進攻時，第74軍梁鑒堂第203旅官兵雖曾頑強抵抗，自梁鑒堂旅長以下1400人全部殉國，但仍未能守住。29日茹越口失陷，30日繁峙城又失。在茹越口失陷的當日，閻錫山在聽取了平型關方麵的戰況報告後，判斷日軍是以一部兵力在陽方口、茹越口方麵實施牽製，而以主力攻擊平型關，因此，戰區的注意力仍應集中在平型關方麵，依然貫徹實施原定計劃。並召集前線高級將領開會，商討禦敵之策。傅作義等曾擬出兩個方案；一是圍攻茹越口、繁峙，殲滅平型關外之敵；二是堅守平型關、團城口陣地，夾擊入侵繁峙之敵。但在討論中，將領們對兩個方案都各執一詞，閻錫山一時也拿不定主意，而此時日軍占領繁峙，閻錫山便聽從了楊愛源的“繁峙之敵有可能經峨口直竄五台山”的微妙提醒，深恐通往五台山的退路被截，竟拍案而起，有氣無力地說道：“我看這種形式，已無法補救了，拖下去，要更不好，星如（楊愛源字）、宜生（傅作義字）就下令全線撤退吧”！（陳長捷：《平型關戰役中蔣閻軍對日作戰及撤退情況》，《山西文史資料》第14輯，第153頁），並部署了各路大軍向五台山區的撤退。會議於午夜1時結束後，閻錫山即趁夜騎著毛驢趕往五台縣台懷鎮。30日上午，太和嶺口行營人員也撤回太原。從棄守大同，到9月30日，曆時十幾天的內長城防禦作戰就這樣結束了。
如此結果，閻錫山自知責任難逃，遂於30日下午在台懷鎮致電蔣介石稱：“山指揮無方，喪失關隘，遺誤國事，非特內疚，實為國法不容，懇鈞座呈請政府嚴予懲處”（《抗日戰爭正麵戰場》（上），第473頁）。蔣介石也清楚內長城防線失守將會造成的嚴重後果，但在大敵當前的形勢下，似不宜深責，反而於10月2日複電，對閻加以慰勉，雲：“吾兄躬親督師，為國宣勞，殊深嘉佩。平型小挫，請毋介懷，仍盼策勵各軍，繼續殺敵，以爭最後勝利”（《抗日戰爭正麵戰場》（上），第475頁）。
日軍攻占平型關的目的，是為了搶奪南下通道，之後，直撲忻縣，再取太原。因此，當其突破閻錫山的內長城防線後，於10月1日攻陷代縣，繼而出朔縣、陽方口，向寧武進攻。日軍統帥部鑒於山西的“戰略價值”，10月1日下達作戰命令，令關東軍“以一部列入華北方麵軍指揮下”，協助該方麵軍占領太原，同時加入的還有關東軍察哈爾派遣兵團4個半旅團，從向保定轉進的第9旅團抽出的2個大隊，總計集結於山西北部的日軍兵力約2.8萬人（不含第9旅團2個大隊）。日軍用如此重兵，目的在於迅速拿下太原，以山西為戰略基地，解決華北戰事。
閻錫山為阻敵南下，保衛太原，一方麵急忙調集8萬兵力，將主力集結於忻口附近，占領既設陣地，築起保衛太原的最後一道防線，一方麵向蔣介石求援。蔣介石“為挽回危機，著眼於山西要地之確保，決定轉用平漢線兵力”（何應欽：《八年抗戰之經過》台灣文海出版有限公司印行，第11—12頁），於10月2日急令衛立煌率第14集團軍4個師，以每15分鍾發一趟10節列車的速度，晝夜由石家莊運往太原，轉赴晉北對日作戰。
10月2日，閻錫山從五台回到太原，決定在忻口附近與敵決戰，並製定了作戰計劃，同時，他還任命衛立煌、傅作義為前敵正副指揮官，負責指揮前線作戰。對衛的任命，閻錫山是為了表示對中央軍的歡迎和對衛的信任，也便於指揮參戰的中央軍。衛受命後，立即趕往前線，設總部於忻縣城內。
與此同時，閻錫山還將入晉之部分川軍、滇軍以及其他一些地方部隊布置在晉東一線，組織了娘子關防禦陣地，由新任第二戰區副司令長官黃紹竑任總指揮。此時，由於日軍已從10月1日開始進攻崞縣，並有一部兵力直趨原平，而從五台山向忻口轉移的晉綏軍尚須兩日方可達到指定地點，衛立煌部隊也還未到達，形勢十分危急。閻錫山為爭取時間，以便於主力部隊進行戰前準備，遂命令王靖國第19軍，薑玉貞第196旅，馬延守獨立第7旅等部“死守崞縣、原平、忻口鎮、忻縣各要點，遲滯敵人前進，以待後續部隊到達”（《抗日戰爭正麵戰場》（上），第483頁）。
駐守崞縣的王靖國部，在日軍飛機大炮的狂轟爛炸下，雖頑強抵抗，傷亡極為慘重，第409、410團傷亡殆盡，但因日軍不斷增兵，已無力挽回局勢，王靖國遂於10月8日淩晨率餘部突圍，崞縣陷落。
薑玉貞駐守的原平鎮，因其坐落在忻口以北30裏，為日軍進攻忻口的必經之地，所以，從10月4日日軍進攻原平鎮開始，敵我雙方戰鬥很快進入白熱化階段。守軍與敵展開巷戰，逐院爭奪；城內北防線，數次易手，失而複得，戰況異常慘烈。為解原平之圍，根據閻錫山的命令，右集團軍朱德總司令曾令115師、120師之各一部，襲擊繁峙日軍，左集團軍楊愛源總司令，亦以八路軍120師與寧武附近之騎兵一部襲擊崞縣日軍，但在日軍強大火力的攻擊下，10月10日，原平還是陷落，旅長薑玉貞在與敵巷戰中陣亡。
崞縣、原平守軍對日軍的頑強抵抗，為忻口大軍的集結與部署贏得了寶貴的時間，閻錫山曾讚曰：“忻口布陣得從容，全憑原平抗戰功”（《閻錫山日記》1937年11月2日），並為此役作詩一首：“全區原平戰最烈，三團隻還五百人。據守三院十一日，玉貞旅長兼成仁”（《閻錫山年譜》（五），第2051頁）。
日軍攻占崞縣、原平後，10月13日，即在板垣的指揮下向忻口發起進攻，忻口戰役全線展開。
忻口，位於太原北麵100公裏的忻（州）定（襄）盆地北部，是五台山、雲中山東西兩山峽穀中的一個隘口，在地理上是出入晉中的交通要道，也是太原以北最後一道憑險可守之處。峽穀川道中有一條高度不大，南北長16公裏，東西寬3公裏的山嶺，山嶺頭枕界河鋪，腳伸至秦城，忻口鎮緊貼於山嶺北端右側腳下，地勢十分險要，自古即為軍事要地。忻口一名，相傳漢高祖劉邦被匈奴困於平城（今大同東），後突圍退到此地，觀其形勢險要，六軍忻然，而得此名。
閻錫山根據對敵情的偵察，調整部署，將中央集團軍分為左、中、右3個兵團，分別由李默庵、郝夢齡、劉茂恩指揮，前敵總司令衛立煌統一指揮3個兵團作戰，全線兵力達8萬餘人。前敵指揮所亦由忻口縣城遷於忻口公路右側9號石窯（國防工事編號）。
10月13日，日軍以中央突破的戰術，在飛機、戰車和大炮的掩護下，向中央兵團南懷化陣地發起猛烈攻擊。守軍在第9軍軍長郝夢齡率援軍協同作戰下，當天曾將突入南懷化陣地之敵包圍殲滅，但第二天，又被日軍攻陷，1200高地被日軍占領。由於該高地為中央兵團陣地的製高點，對守軍正側麵威脅甚大，因此閻錫山十分著急，一再嚴令衛立煌抽兵反攻，還提出若能拿回1200高地，賞大洋50萬元。衛立煌立即抽調5個旅兵力，令15日進行反攻。
收複1200高地，關鍵在於奪回南懷化陣地。為此，衛立煌、傅作義親到紅溝前敵指揮所督戰。而已深入南懷化陣地之日軍，尚未等中隊實施反攻，於15日即向官莊以南陣地及1300高地一帶發起猛攻，以圖擴大戰果。這些陣地上的守軍英勇反擊，打退敵人7次進攻，與敵形成對峙之局，衛立煌即行部署，令第211師等部夾擊南懷化日軍，限於16日零時左右開始攻擊。
此時（15日），閻錫山獲悉忻口正麵日軍以300餘輛汽車運來增兵10000餘人，遂電令朱德指揮五台山區部隊截斷敵後交通，阻敵增援，並令相關部隊火速趕赴忻口。
16日，反攻部隊正麵主力向南懷化日軍展開反攻，而日軍也在10餘架飛機的協同下展開反擊。雙方再次在此交戰，戰況空前激烈。第9軍軍長郝夢齡、第54師師長劉家祺、獨立第5旅旅長鄭廷珍三位將軍，在指揮作戰時，不幸陣亡。中央軍團因連日血戰，損失慘重，加之三位將軍犧牲後，指揮中斷，因而此次反攻失利，遂於17日轉攻為守。
鑒於戰局的嚴峻，衛立煌向蔣介石致電，“請速籌劃增兵”，蔣回電稱：“忻口會戰關係至大，望督勵所部一鼓殲敵為盼”，並令在潼關的第22集團軍日夜兼程馳援晉北，閻錫山也加派晉軍步兵1個旅，山炮兩個團於17日下午抵達前線。
從17日開始，中隊在南懷化、大白水、紅溝等線陣地與日軍展開了激烈的爭奪戰。中央兵團在接任前敵總指揮的陳長捷指揮下，對南懷化日軍展開反攻。南懷化僅18日一天，就雙方易手達13次。中國守軍六失七得。左翼部隊在李默庵指揮下與日軍在東常村、大白水一線的爭奪，右翼部隊在劉茂恩的指揮下與日軍在靈山、界河鋪一線之交戰，都十分慘烈。雖然未能將敵全部驅逐，但日軍也未能有所進展，雙方形成對峙之勢。其間，八路軍115師在廣靈、靈丘、平型關、沙河鎮等處，破壞公路，伏擊敵人援軍，還相繼收複淶源、蔚縣，攻克靈丘等地；第120師一部18日在雁門關附近設伏，與敵激戰，消滅日軍500餘人，並占領雁門關和太和嶺，截斷日軍通往忻口的主要交通線；第129師第385旅第769團10月19日夜襲代縣陽明堡之日軍飛機場，焚毀敵機24架，殲敵百餘人，使急欲突破忻口防線的日軍喪失了空中優勢，凡此，都有力地配合了忻口正麵作戰。
此時，日本華北方麵軍因將兩個師團及1個支隊等兵力轉送到淞滬作戰，已無餘力向忻口增兵，而忻口正麵又無多大進展，加之後方交通又被截斷，因而，衛立煌決定利用這一有利時機，圍殲忻口之敵。他在命令中央地區各部隊全力抵抗，左右兩翼全線以小部隊深入敵後，襲敵側背的同時，還電請蔣介石“倘能置派有力三師參加晉北作戰，則此殘敵眾可指日消滅”。鑒於日軍萱島支隊已前來增援，寺內壽一所率援軍也將到達的緊急情況，25日，衛又向蔣致電，請蔣“務予嚴厲指派，增加部隊三四師先殲此敵，再行轉擊晉東之敵，再遲即無法挽救”（《抗日戰爭正麵戰場》（上），第506、507頁）。
根據衛立煌的命令，從10月24日開始，忻口防線守軍各以一部出擊，襲擾敵軍。日軍雖得到萱島支隊的增援後向中方發起攻擊，卻無進展。左翼兵團還收複了朦滕村北側及西北高地主陣地。在與敵對抗近戰中，守軍炮兵曾對南懷化和泥河一帶敵炮兵陣地與機場，予以突然的猛轟，迫使敵將機場搬到了原平鎮。這些勝利，使忻口對陣戰漸有轉機。10月26日，娘子關失守，雖然閻錫山為保太原急調傅作義第35軍回太原部署城防，使忻口戰場兵力大減，但衛立煌仍指揮餘部，堅持作戰。10月28日，日軍進攻朦滕村陣地時，第83師曾殲敵2000餘人。左翼第94師逆襲得手後，乘勝出擊，連奪主要山頭數個，日軍雖增兵一個聯隊，並出動戰車支援，但無進展。
然而，由於晉東戰事失利後，太原已處危境，因此，閻錫山於11月1日，令衛立煌返回太原協助傅作義“保固太原”，並且，晉東戰事的失利，也使忻口守軍側麵受到威脅，再對峙下去，恐於守軍不利，於是11月2日，衛立煌下令全線撤退。至此，從10月2日閻錫山開始進行的忻口會戰，曆時一個月，宣告結束。