日军第5师团长板垣接受了攻占太原的命令后便指挥所属第21旅团和关东军混成第2、第15旅团向太原发动进攻。10月3日，日军第5师由大营镇出发，6日在代县集结。混成第2、第15旅于10月1日由代县沿公路分别向崞县、原平进攻。 [10] 此时，第2战区第19军王靖国部凭借有利地形，对日军的进攻奋力抗击，迟滞了敌军的行动，并为主力部队集中布防赢得了时间。
10月4日，日军占领阳明堡，接着围攻崞县城，被守军第19军击退。10月5日，日军一部攻击阳方口独立第7旅阵地。经彻夜激战，阵地被日军突破，该旅于6日退守段家岭、瓦窑、焦家寨、轩岗一带。当日日军占领宁武城。是日14时，日军独立混成第2旅团逼进崞县北关外西桥一带，第19军2个团的阵地被毁，伤亡惨重。日军混成第15旅团同时攻击原平。在此地防守的第196旅与敌浴血搏斗，日军连续冲击五六次，均被守军击退。
右翼军总司令朱德和副总司令彭德怀于10月3日即命令第120师主力协同晋军独立第7旅利用神池、宁武西南山地迟滞日军进攻;并令宋(时轮)支队尽力破坏雁门关、岱岳镇、怀仁一带桥梁、道路、电线，袭击日军的小部队，令李(井泉)支队在利民堡、神池、八角堡地区之间尾袭南进之日军 。朱德、彭德怀随即于6日12时又电令第129师由同蒲路运至河边村转五台，准备协同第115师从台怀间向平型关、繁峙、浑源出击。
10月7日，日军独立混成第2旅团在飞机、大炮支援下猛攻崞县城西北，中国守军残部退出崞县城，转移于辛章村附近。日军即跟踪追击到辛章村附近，攻击原平之日军混成第15旅团与守军第196旅形成对峙状态。
10月5日，第14集团军先头第9军(欠第47师〕到达忻口，占领忻口附近之南怀化一带阵地。 10月6日，阎锡山下达对日军出击的命令 。10月8日，阎锡山于命令各军放弃10月6日发布的对日军出击的作战计划，全线改取守势。
10月10日，第14集团军主力到达忻口，占领忻口东西一线阵地 ，同时日军猛攻原平。10月11日，原平遂陷，中国第二战区忻口前线部队已全部进入指定位置，占领了阵地。第二战区作出进一步的调整部署：将中央军担任的25至30公里的正面防线再划分为3个作战地区，将中央军区分为3个兵团，分别防守3个作战地区。并令傅作义率总预备军加入中央军作战。仍由卫立煌任总指挥，傅作义任副总指挥。
10月12日，第2战区又令第7集团军总司令傅作义率第35军及第61军之独立第2、第3旅等部开赴忻口一带，协助中央集团军作战。中央集团军总司令卫立煌将先后到达忻口地区的部队区分力三十兵团：以第15军军长刘茂恩指挥第15、第17军为右翼兵团;以第9军军长郝梦龄指挥第19、第35、第61、第9军为中央兵团;以第14军军长李默庵指挥第14军及第85、第66、第71师为左翼兵团。各部队由卫立煌统一指挥，在12日前展于忻口以北龙王堂、南怀化、大白水、南峪之线，准备与敌决战。
在日军准备向忻口进犯时，八路军各部队即根据中共中央军委和八路军总部的部署，向敌侧后展开了积极主动的攻击。第115师独立团于10月10 日夜，攻占涞源县城。第120师之第358旅主力于10月8日，夜袭宁武县城。 该师雁北支队于10月1日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)。接着该支队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。当日军主力于10月中旬向忻口阵地发起攻击后，八路军向该敌两翼及后方广泛展开了游击战。
守军反击失利
日军在10月8～11日占领崞县、原平后，企图一举攻占忻口，直趋太原。10日，其第5师从代县向忻口前进。12日，日军各部队集结于原平附近。板垣征四郎将混成第15旅及堤支队等部编为右翼队，第5师力左翼队，于13日开始向忻口阵地攻击。因两翼有五台山和云中山相阻，日军集中5000人兵力，在飞机30余架、坦克50余辆、炮50余门掩护下，采取中间突破的战法，向中央兵团第9军第54师之南怀化阵地及左翼兵团之阎庄阵地发起猛攻。 战至10时许，南怀化沿河工事被毁，守军伤亡殆尽，日军乘机渡河，突破南怀化阵地 。郝梦龄即以第17军第21师2个团增援堵击，卫立煌派第14军之第10师及第61军新编第4旅协力夹击突入之敌。激战终日，毙伤日军3000余人，击毁坦克22辆，恢复南怀化东南高地。向阎庄进攻之敌，至黄昏时，增加到3000余人，突破守军前沿阵地。
10月13日夜，卫立煌组织部队向日军实施反击，企图围歼突入之敌。14日2时，反击开始后，中央兵团之第35军第218旅向南怀化以北之弓家庄日军反击。日军1000余人则向第9军第54师之第161旅下王庄阵地攻击。第218旅以一部增援第161旅，旅长董其武率另一部继续向弓家庄日军反击，7时攻克弓家庄。8时，日军1000余人，坦克10辆在飞机15架、炮20余门的掩护下，向下王庄至弓家庄一线反扑。 守军连续打退敌人四次冲锋，董其武身受重伤，仍率部将日军击溃。在中央兵团对南怀化附近日军开始攻击之际，日军亦增兵向南怀化反扑，战斗甚为激烈。经一日激战，南怀化阵地又为日军占领。右翼兵团经一日激战，于20日将当面日军压迫于滹沱河东岸至灵山脚下一带;左翼兵团于拂晓攻占旧练庄，遇日军增援部队反扑，激战终日，成对峙状态。
10月14日20时许，卫立煌亲率独立第5旅至忻口督战，将指挥关系作了调整：由第61军军长陈长捷指挥第21师、独立第2、第3旅(欠第4团)及新编第4旅，负责肃清南怀化之敌 ;由郝梦龄指挥第54师附第217、第218旅及独立第3旅之第4团等部，担任忻口-正面守备及向当面之敌反击。
10月15日，忻口正面守军向中泥河、东泥河之敌反击，曾一度攻占中泥河，但在日军增援到达后，被迫撤回。攻占南怀化之日军，自拂晓起，继续向1300高地攻击，情势极为严重。左 、右翼兵团经一日激战，仍与日军处于对峙状态。
10月13日至14日，八路军第115师之第344旅主力在平型关东北小寨村附近，断绝日军交通。15日，截击由灵丘方向驶来的日军汽车130余辆，并打退该敌一个营的数次反扑，迫其退回灵丘。接着第344旅主力干当日夜袭团城口，随后收复平型关及浑源具城。第344旅之第688团于15日夜袭沙河镇日军，缴获大批粮秣和军用物资。18日，该团又一举攻克繁峙。
10月15日，八路军115师独立团于广灵以南之冯家沟设伏，歼灭日军步骑兵100余人，缴获满载军用物资的大车120余辆、骡马300余匹。16日乘胜收复广灵县城。随后收复灵丘、蔚县、易县、浑源、阳原等县城。向冀西挺进之骑兵营等部，于18日克复曲阳县城。至29日，骑兵营等部又连克平山、唐县、完具等城，严重威胁了日军平汉铁路北段的交通。经20余天的作战，第115师先后收复县城10座，切断了张家口至代县间日军后方交通线。第120师向进攻忻口之日军右翼及后方展开广泛袭击。其第358旅旅部率第715团于10月13日夜向崞县西南之日军进击，一举攻占大牛店。随即于14日乘胜向南北大常、永兴村之敌进袭，毙伤日军120余人。第358旅之第716团深人日军侧后，打击敌人的运输队。18日，该团在黑石头沟公路两侧进行伏击，毙伤日军300余人，击毁汽车20余辆。20日夜，又以一部袭占雁门关;另一部破坏了广武至大和岭间的公路及桥梁，一度切断了雁门关至忻口的交通。
阵地对峙战斗与忻口守军撤退
卫立煌鉴于南怀化为全线锁钥，关系忻口战役的全局，遂决定集中第21师、独立第2、第5旅及新编第4旅等部共5个旅的兵力，歼灭南怀化日军;并以第68师由秦家庄、旧练庄向前后城头行动，夹击该敌。限于16日零时前后开始攻击。阎锡山得知当面之敌增加，恐中央集团军兵力不足，遂电令朱德总司令指挥所属截断敌后交通，以阻敌续增;并即派第73师及第101师之第201旅等部，迅速轻装赴忻县，归傅作义指挥。
10月16日2时，南怀化阵地反击战正式展开。第218旅由弓家庄向南怀化敌侧背攻击，7时攻占旧河北，9时占领南怀化北端河岸。是时，日军飞机10余架，协助其地面部队一再反扑，终被击退。郝梦龄率部向占领南怀化之敌奋勇反击，阵地得而复失、失而复得，战斗异常激烈。经昼夜激战，占据南怀化以南之日军，大部被歼。此战，日中双方军队均伤亡数千人， 9军军长郝梦龄中将、第54师师长刘家琪少将(牺牲后被迫晋为中将)、独立第5旅旅长郑廷珍少将等，均壮烈殉国。连日鏖战，部队伤亡惨重，卫立煌除派陈长捷统一指挥中央兵团各部队继续作战外，并电呈蒋介石，请求迅筹援军。蒋介石即派第22集团军之第41军由潼关一带兼程驰援。阎锡山也急令第94师及第177师之第529旅由五台山之耿镇、龙泉关一带星夜赶赴兰台镇、二十里铺间，归卫立煌指挥。
与此同时，日军汽车400余辆，满载步兵，由团城口西进。卫立煌遂决心固守阵地，以等援军到达，再行反击。乃令第217、第218旅分别撤至忻口附近集结;第54师界河铺北岸之一部亦撤至界河铺以南占领预备阵地。并以第19军军长王靖国为中央兵团总指挥，第61军军长陈长捷为副总指挥。是日24时，卫立煌又对部队部署作了调整，将部队区分为左地区队、右地区队、中央地区队(即原左、中、右翼兵团)，分别配置于张家庄、灵山、界河铺、大白水、南峪之线阵地，待后续部队到达，再由两翼转移攻势，包围歼灭当面之敌 。
10月17日至19日，日军陆空协同不断向中央集团军之灵山、南怀化东北高地、官村、大白水等阵地猛烈攻击。守军击毁其坦克、装甲车各20余辆，使日军攻击未能得逞。自20日起，日军先后对中央集团军各阵地施放大量催泪性毒气，并向守军阵地实施爆破。
日军在地面攻击受挫，遂由代县西南之阳明堡机场频繁出动飞机，加紧了对忻口阵地的轰炸 。此时，八路军第129师先头部队第769团，进抵滹沱河南岸苏龙口一带，发现日军飞机不断由北岸的阳明堡机场起飞，遂决定出其不意，夜袭机场。
10月19日凌晨，第769团各部队分别进至预定地区。担任主攻的第3营顺利偷渡滹沱河，潜入机场，发起攻击，经过1小时激战，共毁伤日军飞机24架，歼灭日军100余人，八路军伤亡30余人，营长赵崇德殉国。
“129师之陈锡联和谢富治团，乘黑夜袭入阳明堡机场，烧毁日机二十余架，歼灭守敌约一个大队”10月22日，日军增援部队萱岛支队也投入了战斗。守军顽强抗击 ，并适时组织反突击，双方形成拉锯战，战至11月1日，守军虽“战斗员伤亡三分之二以上”，“日耗两团上下 [26] ”，但阵地仍巍然屹立。
10月23日，八路军第359旅(欠第718团)在阳明堡西南之王董堡伏击日军运输队，毁敌汽车7辆。此后 ，不断袭扰过往日军，使敌交通运输进一步陷入瘫痪。由于第115师和第120师的积极作战，使进攻忻口之日军与大同、张家口的交通中断，粮、弹、油料等供应断绝，迫使敌人不得不借飞机来输送给养。卫立煌10月24日在给蒋介石的密电中称：“敌自雁门被截断，粮秣极感困难，现向地方征发杂粮中。 ”为此，国民政府军事委员会连电嘉奖，蒋介石于10月17日致电朱德、彭德怀：“贵部林师及张旅，屡建奇功，强寇迭遭重创，深堪嘉慰。 ”
忻口前线守军与日军对峙了20余日，日军无法前进，其后方及交通运输线又受到第18集团军游击战的严重威胁，陷于被动的境地。但晋东守军防御失利，娘子关、平定、阳泉等地相继失守，部队正在向太原溃退，因此阎锡山于10月31日夜间决定忻口地区的守军全线后撤。 [29] 11月2日10时，卫立煌遵照阎锡山的电令，下达转进命令。
忻口地区前线各兵团遵照卫立煌命令，于2日黄昏后脱离阵地向后撤退，由于事先已有撤退的准备与部署，因此秩序尚好。日军于当夜发觉守军撤退，于3日拂晓发动追击，尔后从太原北方协同由晋东进入太原附近的日军会攻太原。
历史意义
忻口战役沉重打击了日军嚣张气焰和不可一世的骄蛮姿态，极大地增强了中国军民抗战必胜的信心，是全面抗战开始后国民党与中国共产党紧密配合下取得的一次成功的防御战，各部队密切配合，协同作战，以伤亡10万余人的代价，歼灭日军2万余人，创造了华北战场歼敌最新的纪录。
