9月份，淞沪战场上的****血肉横飞，华北战场上的****节节败退。至月底，华北战场的****已退至太原、石家庄、德州一线。日军华北方面军决定乘胜追击，进入山西省、河南省北部以及山东省，并伺机进攻徐州。
10月1日，日军中央统帅部要求华北方面军占领太原，并将关东军一部列入华北方面军指挥。日军在华北战场的四路大军遂调整为三路，关东军和第五师团主力一起进攻太原，第一军进攻石家庄，第二军主力攻击石家庄附近的****侧背以策应第一军的进攻。
2日，蒋介石致电阎锡山，指出“山西抗战关系到全国战局，必须保持山西抗战阵地”，“至少要坚持一个半月”。蒋介石认为，只有把日军主力牢牢地吸附在太原、石家庄方向，上海才能坚持下去。要是太原、石家庄再失守的话，日军必然把一部分兵力投向上海，那么上海绝对要落入日军之手。
太原和石家庄地区的作战成为全国战局的关键。
太原盆地东依太行山，西抵吕梁山，北有系舟山，这些险要山地成为太原的天然屏障。与上海和石家庄相比，太原的防御作战似乎要容易一些。从太原往北60公里是忻县，忻县往北20公里是忻口，这里是日军从正面进攻太原的必经之路，山西境内的****主力大都被阎锡山部署在这里。
娘子关是太原最为重要的侧翼，位于太原以东120公里。阎锡山把第27路军和第3军共计5个师的兵力部署在这里。毛主席认为5个师的兵力仍然不足以守住娘子关，他致电周总理，请他转告国民政府加强娘子关方向的防御。后来阎锡山命令孙连仲的第26路军做为预备队进入娘子关。
日军从正面进攻太原的部队为第五师团第二十一旅团和关东军第二、第十五混成旅团，他们于4日占领阳明堡并围攻崞县。6日，日军占领宁武。8日，日军占领原平、崞县，逐渐逼近忻口。一场惊天动地的大战即将开始。
日军3个旅团面对的是****4个集团（约14个师）：左翼军由第68、第71、第120师及独立第7旅组成，总司令杨爱源；右翼军由第18集团军及第73、第101师、新编第2师组成，总司令朱德；中央军由第14集团军、第9、第15、第17、第19军组成，总司令卫立煌；总预备军由第34、第35、第61军及第66师组成，总司令傅作义。
10日，阎锡山命令朱德的右翼军派出一部分兵力进入阳明堡方向切断日军退路，卫立煌的中央军占领1605高地和神山高地，并迅速向围攻原平的日军进攻。至11日，守卫原平的第196旅伤亡极重，全旅仅剩二三百人，旅长姜玉贞殉国，原平遂被日军全部占领。
13日晨，日军5千余人向忻口发起全面进攻，猛烈的炮火摧毁了南怀化沿云中河****防御阵地上的工事，阵地上的****伤亡殆尽。日军趁机渡过云中河并占领了1300高地。此高地若失，忻口难保，所以****必须不惜一切代价夺回高地，第14军之第10师、第61军新编第4旅和第17军第21师两个团前往增援，与日军激战至15时，终于将高地夺回。
卫立煌夺回高地之后仍不罢休，决定于当夜全歼云中河南岸的日军。激战一夜，****第35军第218旅于14日7时攻克弓家庄。8时，恼羞成怒的日军疯狂反扑，战至日暮，南怀化附近阵地重回日军之手。
15日拂晓，日军向1300高地发起进攻，****顽强抵抗，一天内连续七次击退日军的进攻。日军攻不下高地，****也无力将日军歼灭，双方遂陷入对峙状态。
16日凌晨2时，卫立煌集中第21师、独立第2、第5旅及新编第4旅等部共5个旅的兵力再次发动反击。中日两军在南怀化附近阵地展开拉锯战，战况异常激烈，双方均有重大伤亡，第9军军长郝梦岭、第54师师长刘家琪、独立第5旅旅长郑廷珍等壮烈殉国。
至此，中日两军指挥官都意识到对方是硬骨头，仅凭现有兵力无法击退敌人，于是都向上级请求支援。在蒋介石和阎锡山的安排下，第41军、第94师及第177师之第529旅星夜兼程赶往忻口。日军则以驻屯军混成旅团第二联队为基干编成萱岛支队驰援忻口。
24日，萱岛支队投入作战，然而他们并没有改变战局，忻口的战斗仍然是惨烈的拉锯战。直到27日，日军的进攻没有任何进展！第五师团长板垣征四郎非常郁闷，只好继续求援。此时日军在淞沪战场的兵力也不够用，哪里还有多余的兵力支援第五师团？无奈之下，华北方面军只能从担负平津警备任务的第一○九师团之第一三六联队抽调一个大队应付板垣征四郎。
仅仅一个大队改变不了忻口战场的形势。在板垣征四郎的要求下，华北方面军又给第五师团增派了独立混成第一旅团的机械化步兵联队和第一三六联队的另一个大队。
****在忻口战场付出了巨大牺牲，挫败了第五师团和关东军从正面进攻太原的计划，但是就在这个时候，卫立煌接到了撤退的命令