在平型关战斗中，由于正面布防的友军没有按预定计划出击，失去了消灭更多敌人的机会，平型关正面的日军得到从浑源南下的日军的增援，稳住了阵脚。同时，内长城线上日军突破茹越口和阳方口，从东西两侧向雁门关迂回。10月2日，雁门关失守，对太原形成强大威胁。太原是山西的首府，其政治、经济、军事上的战略意义相当重要。日寇一旦占领太原，可沿同蒲路直下黄河，进逼潼关，威胁西安。
10月1日，日本参谋本部命令其华北方面军，“以一部兵力在山西省北部作战占领太原”。华北方面军当夜下令第五师集结代县，担任攻占太原任务，并命向保定转进之第九旅抽出两个大队，经平绥线运至大同归还建制。为统一晋北作战指挥，将位于内长城以南的关东军察哈尔派遣兵团等4个半旅，划归第五师师长坂垣征四郎指挥。这样，晋北日军共约3个师，7万余人，虎视眈眈对准太原。
蒋介石和阎锡山为挽救山西战局危机，保卫太原，决定利用忻口进行正面防御，阻敌南下，于是著名的忻口、太原会战开始了。
(一)忻口作战
为阻止日军南下，蒋介石和阎锡山以卫立煌为前敌总指挥，调集4个集团军首先组织忻口会战。忻口右托太行山，左倚云中山，地势险要，是太原北面的最后一道门户。中国军队防御的具体部署是：以卫立煌率领的第十四集团军组成中央兵团，扼守崞县、原平至忻口一带地区;以朱德率领的第十八集团军(即八路军)，在五台山至峪口一线设防，阻击敌人;以杨爱源率领的第六集团军，在宁武山区的黑峪村至阳方口一线占领阵地;以傅作义率领的第七集团军为预备兵团，控制定襄、忻县、太原一线并机动。
为争取忻口作战的胜利，中共中央军委主席毛泽东，曾就忻口作战的方针，于10月6日，向第一、二战区和南京军事当局提出建议。毛泽东判断，进入山西之敌总数不过两个半师团，敌在沿途须分兵守备。因此，到达忻口一带作战者不过一个师团左右。如果我方部署适当，有可能破坏敌之进攻，甚至逼敌部分地后退。他指出此战役的关键在下列三点：(一)娘子关、九龙关的坚守。敌占石家庄后，将向西进攻。故上述二关须集结重兵坚守，以使主力在晋北取得胜利;(二)正面忻口地区之守备与出击，出击是主要的;(三)对敌后方及交通线之破坏。并命令八路军第一一五、第一二〇、第一二九师全力协助友军作战。
根据毛泽东的指示，朱德、彭德怀于10月6、7日，令第一一五师协同友军向平型关、大营镇之敌进攻，相机袭取浑源、应县，断绝茹越口、繁峙之间的交通;令第一二〇师以主力向岱岳镇(今山阴县)以西山地出动，断绝大同与雁门关之间的交通，以第三五八旅主力配合友军夹击宁武以南之敌;令第一二九师主力进到正太铁路之寿阳、平定地区，积极钳制与打击西进之敌。
10月1日，日军混成第二旅千余人由繁峙向阳明堡进攻，与中国第十九军一部激战，侵入阳明堡。2日，在飞机支援下开始进攻崞县。4日，日军混成第十五旅由崞县迂回，向原平镇猛攻。第二战区长官部为使主力部队有充裕时间集结忻口与敌决战，下令“死守崞县、原平，以待后续部队到达”。5日、6日两日，日军集中炮火对崞县中国守军猛烈轰击，阵地被毁殆尽，第十九军第四〇七团官兵伤亡极为惨重。7日，围攻崞县之日军增加到五六千人，以飞机20余架、野重炮30余门对县城狂轰滥炸达6小时。第四一〇团从团长到士兵，全部阵亡。入夜，中国守军各高级军官率所部亲自参加堵击，日军仍有增无已，无法挽回败局。8日凌晨，崞县陷落。
坚守原平镇的是第三十四军第一九六旅，虽兵力单薄，但士气旺盛，官兵们誓与阵地共存亡。旅长姜玉贞接到死守原平的命令后，立刻进行部署。各部队刚刚进入阵地不久，日军就尾追上来。进入原平的是坂垣师的主力，天上有飞机掩护，地上有大炮、坦克开路，可守军只有为数不多的迫击炮。原平又是一座小城，没有坚固的工事。但是，他们必须坚守阵地7天。
日军从10月1日起就用大炮开始猛轰守军的阵地。6日增加兵力，并以飞机、炮兵支援，反复进攻，均未得逞。日军恼羞成怒，动用飞机大炮轮番轰炸，开动坦克在阵地前横冲直撞。中国守军的工事被炸塌，被迫进入城内防守。日军乘机占领原平城的东半部，中国守军死守原平城的西半部。两军一街之隔，展开激烈的巷战。一直坚持到10月7日坚守任务完成后，姜玉贞带领全旅官兵又苦撑了3天。11日下午接到撤退命令，姜玉贞才带领残部从日军比较薄弱的城西一角冲了出去。他手抡大刀，左砍右杀，杀得日军抱头鼠窜。眼看部队就要冲过阵地了，一发炮弹落在姜玉贞身旁。这位忠勇将军终于在坚守了11天的阵地上，流尽最后一滴血。
在崞县、原平保卫战激烈进行的同时，八路军各部队根据中共中央军委和八路军总部的部署，向敌侧后展开了主动的攻击。10月1日，第一二〇师雁北支队袭占朔县以北之井坪镇(今平鲁县城)，4日又收复平鲁县城(今平鲁镇)。接着对同蒲铁路朔县至大同段展开破袭战，10日在辛庄伏击敌运输队，随即逼近大同。10月8日，第一二〇师主力夜袭宁武县城。10日，第一一五师独立团攻占涞源县城。但崞县、原平的相继失守，使忻口处于日军的直接攻击之下。忻口是太原的大门，此处倘若不保，日军就可长驱南下，直抵太原。10月12日，中国左、中、右三路集团军已到达忻口附近占领阵地。阎锡山又命令傅作义率领预备集团军第三十五、第六十一军、独立第二旅、第三旅等部开赴忻口，加入中央集团军作战。同时调整军事部署，将中央集团军分为三个兵团，以刘茂恩指挥第十五军、第十七军、第三十三军等部，组成右翼兵团;以郝梦龄指挥第九、第十九、第三十五、第六十一军等部，组成中央兵团;以李默庵指挥第十四军及第六十六、第七十一、第八十五等师，组成左翼兵团;以卫立煌为前敌总司令，统一指挥三个兵团在忻口一线作战。
13日晨，日军出动30余架飞机和大批坦克、火炮掩护步兵5000余人，对中国军队忻口防线实行中央突破，猛攻南怀化阵地。14日，南怀化至灵山的主阵地被敌突破。16日，卫立煌调5个旅反攻南怀化。中国守军奋勇抗敌，曾一度将侵入南怀化之劲敌歼灭。在艰苦的攻守激战中，中路兵团指挥官第九军军长郝梦龄、第五十四师师长刘家麒、第五旅旅长郑廷珍壮烈牺牲。
郝梦龄原在大后方学习，他主动要求上前线，临行时已“抱定牺牲”之决心，在战斗中率领部队奋勇抵抗，牺牲时年仅39岁。人们从他的遗物中找到他在火线上留给夫人剧纫秋的最后遗嘱，其中说：“余自武汉出发时，留有遗嘱与诸子女等。此次抗战乃民族国家生存之最后关头。抱定牺牲决心，不能成功即成仁，为争取最后胜利，使中华民族永存世界上，故成功不必在我，我先牺牲。……余牺牲亦有荣，为军人者，对国际战亡，死可谓得其所矣!”
郝梦龄牺牲后，中日双方继续在南怀化展开拉锯战。中国守军顽强奋战，寸土不让。晋军用太原兵工厂自制的8万多发炮弹猛烈回击日军，山西生产的手掷弹、手雷也发挥了巨大作用，炸得日军抱头鼠窜，尸横遍野。当地成百上千的老百姓自发地组织起来支援前线，抬伤员、挖战壕，与战士们一起穿梭在火线上。当守军的手掷弹、手雷打光时，各村百姓纷纷将自己家藏的刀、矛、钢叉等武器送给战士们，和敌人展开肉搏战。整个山西战场出现气壮山河的全民抗日局面。
在保卫忻口的战斗中，八路军在朱德的指挥下，在敌主力之侧翼和后方，密切配合友军袭击敌军。10月13日至14日，第一一五师第三四四旅在小寨村断绝日军交通，15日截获敌援军汽车130余辆，歼敌200余人，接着夜袭团城口，随后收复平型关及浑源县城。其六八八团还夜袭沙河镇日军，缴获大批粮食和军用物资。16日，第一一五师之独立团和骑兵营，在广灵南设伏，袭击日军，并乘胜收复广灵、涞源、蔚县、灵丘、易县、阳原等县城。18日，攻克曲阳县城，同日，第三四四旅第六八八团还攻克繁峙县城。19日，第一一五师之第三四三旅向繁峙守敌发起攻击，也一举攻克数城。至29日，骑兵营又接连收复平山、唐县、完县等县城，对平汉路北段日军交通造成了严重威胁。至此，第一一五师共收复县城10座，切断了张家口至代县间日军的后方补给线。
第一二〇师在日军的右翼及后方支援友军作战，12日在崞县十里铺，13日在宁武，14日在大牛店、南北大常及永兴村等地与日军激战，毙伤大量敌军。特别是18日，第一二〇师第三五八旅在雁门关以南的黑石沟地区设伏，击毙日军300余人，击毁汽车20余辆，并收复了雁门关，切断了日军的交通线。23日，第三五九旅还在阳明堡西南之王董堡伏击日军运输队，击敌汽车7辆。通过不断袭扰，使敌交通运输线陷入瘫痪。
由于第一一五师、第一二〇师切断了日军的交通运输，使日军的物资供应顿加困难，不得不借飞机输送给养。卫立煌于10月24日给蒋介石的密电即说：“敌自雁门被截断，粮秣极感困难，现向地方征发杂粮中。”第一二九师也传来胜利捷报。该师先头部队第七六九团在崞县以东袭击敌人翼侧时，发现阳明堡地区日军飞机频繁起落，轮番轰炸友军忻口阵地，遂决心夜袭该机场。为摸清机场日军的防卫情况，该团在当地群众的协助下，由团长陈锡联带主攻营的连以上干部，化装成民工，混在修机场的群众中，对机场情况进行了调查。他们发现敌军机场上停放24架飞机，周围设有防卫工事，200名日军戒备森严把守。19日夜，第七六九团以第三营袭击机场，以第一营钳制崞县之敌，以第二营为预备队。第三营潜入机场后，突然发起攻击，以密集手榴弹袭击停机坪内的飞机。日军守备队从梦中惊醒，疯狂进行反扑。仅经1小时冲杀搏斗，英勇的八路军战士就将停放于机场的24架飞机全部炸毁，歼灭日军百余人，顺利撤出战斗。这一重大胜利使中国军队在忻口的作战中大受裨益，顿时减轻了空中威胁。日军地面部队失去空中优势的掩护和空中运输补给，士气更为低落，在十余天的进攻中毫无进展，伤亡惨重，处于进退维谷的境地。在这次偷袭中，八路军伤亡30余人，营长赵崇德光荣牺牲。
国民政府对八路军在保卫忻口的战役中积极配合，并不断取得奇胜非常满意。10月17日，连发两电表示嘉奖。第一封电报说：“接诵捷报，无任欣慰，着即传谕嘉奖。”第二封电报的内容是：“贵部林师及张旅屡建奇功，强寇迭遭重创，深堪嘉慰，仍希继续努力，以竟全功为要。”但是，八路军在侧翼的英勇作战，并不能扭转会战主战场全局的局面。以后因晋东娘子关的失守，忻口守军不得不全线撤退。
(二)娘子关作战
日军在忻口以北受阻后，为使第五师摆脱困境，转而加强晋东的攻势。沿平汉路南下的敌人，在攻克石家庄之后，以第二十师团为主力，在第一〇八师、第一〇九师各一部的配合下，分左右两路沿正太路西犯，相机夺取太原。
日军的这一行动，使晋东娘子关地区的作战顿时趋于紧张。娘子关为晋东之重要门户，扼守在正太路上，倘若失守，则太原东边门户洞开，因而具有重要的战略地位。在会战开始前，毛泽东就指出了娘子关的重要性，建议国民政府派重兵扼守此地。然而这一重要建议没有被国民政府完全采纳，直到日军逼近后，国民政府才加强了对娘子关方向的防务。第一战区于10月9日令第二十七路军、第二十六路军、第三军及第十七师等部赶赴娘子关。10日，第二战区决定副司令长官黄绍竑赴娘子关指挥该方向作战。
从10月12日起，日军沿正太路西攻井陉、旧关，中国守军虽顽强抵抗，未能阻挡日军进攻步伐。14日，守军第十七师等部向旧关以北要点反击，曾一度占领核桃园等地，歼敌一部。经两日激战，共毙伤日军500余名。15日，第二战区决定娘子关方面的作战指挥统由第二十六路军总司令孙连仲负责。16日至19日，守军多次向旧关附近要点攻击，虽有进展，但在日军地面、空中优势火力下实施反击，遭受严重伤亡，不得不撤回原地。此后，日军后续部队逐次到达，全线转入进攻，中国守军阵地多处被突破。22日，孙连仲急电军委会，要求急调生力军增援。
在此紧急情况下，八路军总部令第一二九师火速向娘子关增援。该师于10月18日进抵平定以东后，即向娘子关东南日军之侧后挺进，寻机歼敌。22日夜，第一二九师第三八八旅第七七二团袭击娘子关以东长生口之日军，毙伤其30余名。此时，日军左纵队已迂回向平定方向前进。第三八六旅第七七一团即迎敌而进，23日在东石门阻击敌人，毙伤日军200余人;24日在马山村等地袭击敌人，毙伤其百余名。26日，第三八六旅旅长陈赓亲率第七七二团在东石门以西设伏。当日军第二十师辎重部队800余人在其200余名步兵掩护下进入伏区时，伏击部队从大道南侧的高地以猛烈火力袭击敌人，随即与敌人展开激烈搏斗。经2小时激战，击毙日军300余人，缴获骡马300余匹和大批军用物资。28日该团在七亘村再次伏击敌人，毙敌百余名，缴获骡马数十匹。
由于日军左翼迂回纵队屡遭打击，进展迟缓，进攻娘子关之日军得不到策应，攻击未奏效。25日日军乘中国守军换防之际，全线发起进攻。守军猝不及防，连失阵地，26日娘子关失陷，晋东战局急转直下。日军主力沿正太路及其南侧，分数路西进，守军接连后退，形势危急。为阻止和迟滞日军迅速西进，暂时稳定晋东战局，八路军总部于10月28日率第一一五师师部及第三四三旅由五台南移，30日到达平定西南地区。11月2日，第一二九师第三八六旅在师长刘伯承、旅长陈赓率领下，于昔阳东南之黄崖底一带伏击，向昔阳进犯日军一个营被毙伤300余人，战马300多匹。4日，一一五师第三四三旅在旅长陈光指挥下，对进至广阳的日军辎重队进行攻击，歼灭日军近千人，缴获骡马700余匹、步枪700余支和大批军用物资。7日，第一二九师主力还在第一一五师一部配合下，于广阳以东之户封村伏击敌人，毙伤日军250余人。与此同时，八路军第一二九师和第一一五师还配合国民党军队抵抗日军的追击，协助曾万钟部、邓锡侯部和王奇峰骑兵第四师等突破日军的包围，脱离险境。
日军于10月29日占领正太铁路附近之平定，继续西犯。11月1日，阎锡山命令忻口作战部队放弃阵地，向太原城北青龙镇、天门关之线转移，协同傅作义防守太原。11月6日，晋北、晋东之敌均迫近太原城下，从三面猛攻太原城垣。敌机轮番轰炸，太原城内一片火海，守军伤亡惨重。7日，日军东、北两路在太原会师，对太原形成四面包围。8日，日军在飞机、大炮支援下，继续攻城，突破城垣东北角及西北角。东北两城守兵誓死不退，一面拼杀入城之敌，一面封锁城墙各口。敌我皆争取最后胜利，死亡异常惨重。由于守军的奋勇截击，将进城之敌击退。黄昏后，日军向城内空降大批兵力，并四出袭击。21时，守军不得不从南门突围，太原城遂陷于日军之手。
忻口、太原保卫战坚持了1个多月。由于中国军民(包括国民党军队和共产党军队)的英勇战斗，给日军精锐的坂垣第五师以沉重的打击。此次战役，共毙伤日军两万之众，中国守军伤亡约7.5万人(其中八路军伤亡约6000人)。这一战役虽因国民党军事当局在作战指导上有严重失误，导致娘子关作战失利，使日军得以由被动转为主动，攻占了太原，但仍不失为华北地区抵抗最坚决、最持久，战绩最显著的会战之一，而且是国共双方军队配合得最好的一次会战。