阎锡山为确保平型关，于23日致电朱德，要求八路军配合作战，同时令傅作义率领预备军增援平型关，新编第2师赴西河口地区待命，第71师向大营东北地区前进，第72师向砂河集结待命。
朱德接电后，同彭德怀立即电令：“一一五师立即向平型关、灵丘间出动，机动侧击向平型关进攻之敌，但须控制一部于灵丘以南，保障自己之右侧”（中共中央文献研究室编：《朱德传》人民出版社、中央文献出版社1993年版，第411页），并回电阎锡山，报告进攻准备情况。
9月24日，傅作义率预备军两个旅达到平型关，日军亦增兵5000人，分别向东西跑池、1886.4高地、团城口及讲堂村各处猛攻。因我军伤亡过重，东、西跑池及1886.4高地再度陷于敌手。团城口位于平型关北5公里处，为平型关隘前的制高点，因此，当天，傅作义、杨爱源与八路军第115师联络参谋共同商讨决定次日拂晓以第71师和第115师合击团城口之敌，并作出了“二十五日平型关出击计划”，要求115师按原计划从平型关东南出击。
第115师接到命令后即于24日当夜由冉庄向白崖台进发。指战员们冒着倾盆大雨，拂晓前到达阵地。由于24日白天第115师侦察到日军第21旅团开始向平型关方面运动，遂决定在灵丘通往平型关的最险要地段即小寨村至老爷庙的山沟公路两边设伏，并决定第343旅之第685团、第686团担任主攻任务；第344旅之689团负责向灵丘方面警戒并断敌退路，第688团为预备队；独立团和骑兵营插到灵丘与涞源之间和灵丘与广灵之间，以截断敌人交通线。25日凌晨，日军第21旅团第21联队之第3大队，携带大批辎重车辆，沿着公路西进，开始进入第115师伏击地段。7时许，当骄横的日军全部进入伏击圈后，指战员迅速出击，居高临下，向敌发起猛烈袭击，采取拦头断尾，中间突击，分别歼敌的战术，与敌展开激战。至下午1时许，战斗基本结束。是役，第115师歼敌近1000人，击毁汽车100余辆，马车290余辆，缴获步枪1000余支，机枪20余挺，野炮1门，以及大量军用物资。我军亦伤亡1000余人（王秀鑫、郭德宏：《中华民族抗日战争史》中共党史出版社1995年版，第185页）。平型关歼敌战是八路军出师抗战以来的第一个大胜仗，也是华北战场上中国军队主动寻机歼敌而又首次取得胜利的战斗。由于此役的胜利，也为阎锡山筹划的整个平型关战役争了光，所以，阎锡山感到很欣慰。
尽管如此，却未能扭转中国军队在整个平型关战役中的被动局面，先是傅作义等“合击团城口”之敌的计划，因高桂滋第17军不顾大局，在敌重压之下退出团城口阵地而告失败，虽然后来阎锡山组织力量要夺回团城口，但因敌也增兵团城口，致使敌我双方在团城口一线呈对峙状态，直至9月29日，日军终未能越雷池一步，中国军队也无法全歼敌于平型关外。但是，当平型关鏖战正激时，从9月27日开始日军又进攻茹越口，在日军向茹越口发动进攻时，第74军梁鉴堂第203旅官兵虽曾顽强抵抗，自梁鉴堂旅长以下1400人全部殉国，但仍未能守住。29日茹越口失陷，30日繁峙城又失。在茹越口失陷的当日，阎锡山在听取了平型关方面的战况报告后，判断日军是以一部兵力在阳方口、茹越口方面实施牵制，而以主力攻击平型关，因此，战区的注意力仍应集中在平型关方面，依然贯彻实施原定计划。并召集前线高级将领开会，商讨御敌之策。傅作义等曾拟出两个方案；一是围攻茹越口、繁峙，歼灭平型关外之敌；二是坚守平型关、团城口阵地，夹击入侵繁峙之敌。但在讨论中，将领们对两个方案都各执一词，阎锡山一时也拿不定主意，而此时日军占领繁峙，阎锡山便听从了杨爱源的“繁峙之敌有可能经峨口直窜五台山”的微妙提醒，深恐通往五台山的退路被截，竟拍案而起，有气无力地说道：“我看这种形式，已无法补救了，拖下去，要更不好，星如（杨爱源字）、宜生（傅作义字）就下令全线撤退吧”！（陈长捷：《平型关战役中蒋阎军对日作战及撤退情况》，《山西文史资料》第14辑，第153页），并部署了各路大军向五台山区的撤退。会议于午夜1时结束后，阎锡山即趁夜骑着毛驴赶往五台县台怀镇。30日上午，太和岭口行营人员也撤回太原。从弃守大同，到9月30日，历时十几天的内长城防御作战就这样结束了。
如此结果，阎锡山自知责任难逃，遂于30日下午在台怀镇致电蒋介石称：“山指挥无方，丧失关隘，遗误国事，非特内疚，实为国法不容，恳钧座呈请政府严予惩处”（《抗日战争正面战场》（上），第473页）。蒋介石也清楚内长城防线失守将会造成的严重后果，但在大敌当前的形势下，似不宜深责，反而于10月2日复电，对阎加以慰勉，云：“吾兄躬亲督师，为国宣劳，殊深嘉佩。平型小挫， 请毋介怀，仍盼策励各军，继续杀敌，以争最后胜利”（《抗日战争正面战场》（上），第475页）。
日军攻占平型关的目的，是为了抢夺南下通道，之后，直扑忻县，再取太原。因此，当其突破阎锡山的内长城防线后，于10月1日攻陷代县，继而出朔县、阳方口，向宁武进攻。日军统帅部鉴于山西的“战略价值”，10月1日下达作战命令，令关东军“以一部列入华北方面军指挥下”，协助该方面军占领太原，同时加入的还有关东军察哈尔派遣兵团4个半旅团，从向保定转进的第9旅团抽出的2个大队，总计集结于山西北部的日军兵力约2.8万人（不含第9旅团2个大队）。日军用如此重兵，目的在于迅速拿下太原，以山西为战略基地，解决华北战事。
阎锡山为阻敌南下，保卫太原，一方面急忙调集8万兵力，将主力集结于忻口附近，占领既设阵地，筑起保卫太原的最后一道防线，一方面向蒋介石求援。蒋介石“为挽回危机，着眼于山西要地之确保，决定转用平汉线兵力”（何应钦：《八年抗战之经过》台湾文海出版有限公司印行，第11—12页），于10月2日急令卫立煌率第14集团军4个师，以每15分钟发一趟10节列车的速度，昼夜由石家庄运往太原，转赴晋北对日作战。
10月2日，阎锡山从五台回到太原，决定在忻口附近与敌决战，并制定了作战计划，同时，他还任命卫立煌、傅作义为前敌正副指挥官，负责指挥前线作战。对卫的任命，阎锡山是为了表示对中央军的欢迎和对卫的信任，也便于指挥参战的中央军。卫受命后，立即赶往前线，设总部于忻县城内。
与此同时，阎锡山还将入晋之部分川军、滇军以及其他一些地方部队布置在晋东一线，组织了娘子关防御阵地，由新任第二战区副司令长官黄绍竑任总指挥。此时，由于日军已从10月1日开始进攻崞县，并有一部兵力直趋原平，而从五台山向忻口转移的晋绥军尚须两日方可达到指定地点，卫立煌部队也还未到达，形势十分危急。阎锡山为争取时间，以便于主力部队进行战前准备，遂命令王靖国第19军，姜玉贞第196旅，马延守独立第7旅等部“死守崞县、原平、忻口镇、忻县各要点，迟滞敌人前进，以待后续部队到达”（《抗日战争正面战场》（上），第483页）。
驻守崞县的王靖国部，在日军飞机大炮的狂轰烂炸下，虽顽强抵抗，伤亡极为惨重，第409、410团伤亡殆尽，但因日军不断增兵，已无力挽回局势，王靖国遂于10月8日凌晨率余部突围，崞县陷落。
姜玉贞驻守的原平镇，因其坐落在忻口以北30里，为日军进攻忻口的必经之地，所以， 从10月4日日军进攻原平镇开始，敌我双方战斗很快进入白热化阶段。守军与敌展开巷战，逐院争夺；城内北防线，数次易手，失而复得，战况异常惨烈。为解原平之围，根据阎锡山的命令，右集团军朱德总司令曾令115师、120师之各一部，袭击繁峙日军，左集团军杨爱源总司令，亦以八路军120师与宁武附近之骑兵一部袭击崞县日军，但在日军强大火力的攻击下，10月10日，原平还是陷落，旅长姜玉贞在与敌巷战中阵亡。
崞县、原平守军对日军的顽强抵抗，为忻口大军的集结与部署赢得了宝贵的时间，阎锡山曾赞曰：“忻口布阵得从容，全凭原平抗战功”（《阎锡山日记》1937年11月2日），并为此役作诗一首：“全区原平战最烈，三团只还五百人。据守三院十一日，玉贞旅长兼成仁”（《阎锡山年谱》（五），第2051页）。
日军攻占崞县、原平后，10月13日，即在板垣的指挥下向忻口发起进攻，忻口战役全线展开。
忻口，位于太原北面100公里的忻（州）定（襄）盆地北部，是五台山、云中山东西两山峡谷中的一个隘口，在地理上是出入晋中的交通要道，也是太原以北最后一道凭险可守之处。峡谷川道中有一条高度不大，南北长16公里，东西宽3公里的山岭，山岭头枕界河铺，脚伸至秦城，忻口镇紧贴于山岭北端右侧脚下，地势十分险要，自古即为军事要地。忻口一名，相传汉高祖刘邦被匈奴困于平城（今大同东），后突围退到此地，观其形势险要，六军忻然，而得此名。
阎锡山根据对敌情的侦察，调整部署，将中央集团军分为左、中、右3个兵团，分别由李默庵、郝梦龄、刘茂恩指挥，前敌总司令卫立煌统一指挥3个兵团作战，全线兵力达8万余人。前敌指挥所亦由忻口县城迁于忻口公路右侧9号石窑（国防工事编号）。
10月13日，日军以中央突破的战术，在飞机、战车和大炮的掩护下，向中央兵团南怀化阵地发起猛烈攻击。守军在第9军军长郝梦龄率援军协同作战下，当天曾将突入南怀化阵地之敌包围歼灭，但第二天，又被日军攻陷，1200高地被日军占领。由于该高地为中央兵团阵地的制高点，对守军正侧面威胁甚大，因此阎锡山十分着急，一再严令卫立煌抽兵反攻，还提出若能拿回1200高地，赏大洋50万元。卫立煌立即抽调5个旅兵力，令15日进行反攻。
收复1200高地，关键在于夺回南怀化阵地。为此，卫立煌、傅作义亲到红沟前敌指挥所督战。而已深入南怀化阵地之日军，尚未等中国军队实施反攻，于15日即向官庄以南阵地及1300高地一带发起猛攻，以图扩大战果。这些阵地上的守军英勇反击，打退敌人7次进攻，与敌形成对峙之局，卫立煌即行部署，令第211师等部夹击南怀化日军，限于16日零时左右开始攻击。
此时（15日），阎锡山获悉忻口正面日军以300余辆汽车运来增兵10000余人，遂电令朱德指挥五台山区部队截断敌后交通，阻敌增援，并令相关部队火速赶赴忻口。
16日，反攻部队正面主力向南怀化日军展开反攻，而日军也在10余架飞机的协同下展开反击。双方再次在此交战，战况空前激烈。第9军军长郝梦龄、第54师师长刘家祺、独立第5旅旅长郑廷珍三位将军，在指挥作战时，不幸阵亡。中央军团因连日血战，损失惨重，加之三位将军牺牲后，指挥中断，因而此次反攻失利，遂于17日转攻为守。
鉴于战局的严峻，卫立煌向蒋介石致电，“请速筹划增兵”，蒋回电称：“忻口会战关系至大，望督励所部一鼓歼敌为盼”，并令在潼关的第22集团军日夜兼程驰援晋北，阎锡山也加派晋军步兵1个旅，山炮两个团于17日下午抵达前线。
从17日开始，中国军队在南怀化、大白水、红沟等线阵地与日军展开了激烈的争夺战。中央兵团在接任前敌总指挥的陈长捷指挥下，对南怀化日军展开反攻。南怀化仅18日一天，就双方易手达13次。中国守军六失七得。左翼部队在李默庵指挥下与日军在东常村、大白水一线的争夺，右翼部队在刘茂恩的指挥下与日军在灵山、界河铺一线之交战，都十分惨烈。虽然未能将敌全部驱逐，但日军也未能有所进展，双方形成对峙之势。其间，八路军115师在广灵、灵丘、平型关、沙河镇等处，破坏公路，伏击敌人援军，还相继收复涞源、蔚县，攻克灵丘等地；第120师一部18日在雁门关附近设伏，与敌激战，消灭日军500余人，并占领雁门关和太和岭，截断日军通往忻口的主要交通线；第129师第385旅第769团10月19日夜袭代县阳明堡之日军飞机场，焚毁敌机24架，歼敌百余人，使急欲突破忻口防线的日军丧失了空中优势，凡此，都有力地配合了忻口正面作战。
此时，日本华北方面军因将两个师团及1个支队等兵力转送到淞沪作战，已无余力向忻口增兵，而忻口正面又无多大进展，加之后方交通又被截断，因而，卫立煌决定利用这一有利时机，围歼忻口之敌。他在命令中央地区各部队全力抵抗，左右两翼全线以小部队深入敌后，袭敌侧背的同时，还电请蒋介石“倘能置派有力三师参加晋北作战，则此残敌众可指日消灭”。鉴于日军萱岛支队已前来增援，寺内寿一所率援军也将到达的紧急情况，25日，卫又向蒋致电，请蒋“务予严厉指派，增加部队三四师先歼此敌，再行转击晋东之敌，再迟即无法挽救”（《抗日战争正面战场》（上），第506、507页）。
根据卫立煌的命令，从10月24日开始，忻口防线守军各以一部出击，袭扰敌军。日军虽得到萱岛支队的增援后向中方发起攻击，却无进展。左翼兵团还收复了朦滕村北侧及西北高地主阵地。在与敌对抗近战中，守军炮兵曾对南怀化和泥河一带敌炮兵阵地与机场，予以突然的猛轰，迫使敌将机场搬到了原平镇。这些胜利，使忻口对阵战渐有转机。10月26日，娘子关失守，虽然阎锡山为保太原急调傅作义第35军回太原部署城防，使忻口战场兵力大减，但卫立煌仍指挥余部，坚持作战。10月28日，日军进攻朦滕村阵地时，第83师曾歼敌2000余人。左翼第94师逆袭得手后，乘胜出击，连夺主要山头数个，日军虽增兵一个联队，并出动战车支援，但无进展。
然而，由于晋东战事失利后，太原已处危境，因此，阎锡山于11月1日，令卫立煌返回太原协助傅作义“保固太原”，并且，晋东战事的失利，也使忻口守军侧面受到威胁，再对峙下去，恐于守军不利，于是11月2日，卫立煌下令全线撤退。至此，从10月2日阎锡山开始进行的忻口会战，历时一个月，宣告结束。
