主力攻陷应县、山阴、左云、右玉、平鲁、凉城等地，再向内长城线进攻，以策应第五师团作战。28日突破茹越口，中国守军第二零三旅旅长梁鉴堂殉国。日军进陷繁峙。威胁平型关守军后方，第二战区各部遂于30日夜撤向五台山、代县之线，平型关战役结束。
应第二战区司令长官阎锡山请求，国民革命军第十四集团军总司令卫立煌率蒋介石嫡系部队第十四军、第九军、第八十五师、**第五旅等部，由石家庄赶来太原以北增援。10月十10日卫部集中于忻口附近，会合原第二战区各部，区分为三个兵团。刘茂恩所指挥的国民革命军第十五军、第十七军、第九十四师为右翼兵团。以王靖国为总指挥、郝梦龄为前敌总指挥、陈长捷为前敌副总指挥所指挥的国民革命军第九军、第十九军、第三十五军、第六十一军为中央兵团。李默庵所指挥的第十四军所属第十师、第八十三师、第八十五师及晋绥军第六十八师、第七十一师为左翼兵团。归第二战区前敌总指挥卫立煌统一指挥。于10月12日在忻口以北龙王堂、界河铺、大白水、南峪之线占领阵地，进行忻口战役。
14日晨，第21师向南怀化、新炼庄日军出击，在日军强大火力压制下，伤亡严重，师长李仙洲负伤，出击受挫，即退出战斗到后方整补。
15日拂晓，日军继续攻击忻口西北高地。第61军驰援，与日军对峙于南怀化东北高地。为了巩固忻口防御阵地，消灭进攻日军，卫立煌、傅作义决心举行全面反击，将机动预备队不断投入前线，企图将日军消灭在云中河盆地。当日夜间，守军各兵团对日军展开全面反击。
中央兵团反击部队攻击突入南怀化阵地的日军，由于部署不当，夜间作战，战斗一开始便同日军形成混战。
在混战中，亲临前线指挥作战的第9军军长郝梦龄、第54师师长刘家祺和旅长郑庭珍阵亡，反击受挫。左翼兵团反击部队向进攻日军的右翼出击。在日军反击下，部队迅速退回原阵地。
右翼兵团未出击却受到日军的攻击，灵山阵地失而复得。配合正面防御部队反击日军的第35军两个旅，越过云中河，将南怀化日军后方旧河北村日军大部消灭，在日军增援部队的反击下，退回忻口以南的金山铺休整。
经15日夜和16日对日军反击作战。中**队全线转为守势。
为增强忻口正面的防御力量，阎锡山于16日命令第19军开赴忻口前线：令第15军恢复并坚守忻口右翼灵山阵地；并调右翼军所属部队一部星夜赶往忻口前线；又令深入日军翼侧和后方的八路军和骑兵第1军积极袭击日军的翼侧和后方。破击日军交通运输。
忻口战役八路军为配合忻口正面作战，在日军翼侧和后方积极打击日军。第115师一部于13日占领平型关，将团城口至东河南镇的公路破坏，16日占领团城口，接着收复砂河镇、繁峙和浑源县城；一部在察南、冀西活动，收复涞源、蔚县、灵丘、广灵、曲阳、唐县。
第120师一部截断怀仁至崞县的交通，另一部对崞县地区日军发动攻击，随后进至雁门关地区截击日军交通运输线，18日在雁门关以南伏击日军运输队。击毁日军汽车数十辆。第129师一部于19日凌晨袭击阳明堡日军飞机场，毁伤日机20余架。
攻击忻口的日军，在守军坚强抵抗和后方联络线中断的情况下，无力发动大规模的攻击。中国守军也没有力量实施大规模的反击。两军形成胶着与对峙状态。16日至23日每日晨，日军飞机对守军阵地轮番轰炸，掩护其步兵实施对壕作业。守军在夜间组织步兵小分队对日军阵地进行袭击破坏。
24日，日军部队萱岛支队到达忻口战场。板垣随即再次组
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