平型关战役之后，日军的兵锋虽然遭到重挫，但是第五师团依然没有放弃既定的战略目标。9月28日，日军攻占了茹越日，中国军队退守繁峙以西的铁角岭。日军又跟踪而来，经过血战，铁角岭失守，繁峙也于当夜失陷。平型关中国守军后路被断，情势危急。为免遭包围，中国军队放弃平型关，向五台山的代县、雁门关至阳方口之线转移。日军在占领茹越日、铁角岭、平型关之后，会师于繁峙，于10月1日攻占代县，30目越过阳方口，向晋北交通要点宁武进攻。至此，中国军队内长城防线又被敌突破，日军逼近忻口。
为了报复中国军队在塞北重创察哈尔派遣兵团，日军于10月1日开始，集中海军、航空兵协同地面部队发起新的攻击。北路以山室宗武第11师团指向广福、陈家行；南路集中第3、第9、第13、第101师团强渡蕰藻浜，向大场、南翔进攻，以切断大场至江湾地区守军与外界联系，使之成为孤军。
与此同时，日军华北方面军主力一部沿津浦路南下直奔济南而来。而第五战区的的韩复渠面对日军的疯狂进攻却丝毫没有办法，除了命令部队不断的后退什么也做不了。
与此同时，日军千余人向阳明堡进攻，与中国第十九军一部发生激战，并侵入阳明堡。2日，在飞机、大炮配合下进攻崞县。4日，日军混成第十五旅团从崞县以西迂回，向原平镇猛攻。此时，从平汉路石家庄调来的卫立煌部还没有赶到，由五台山向忻口转移的晋绥军两天后才能到达，形势十分危急。为使主力部队有充裕时间集结忻口与敌决战，第二战区司令部命令中国守军死守崞县、原平，以待后续部队到达、5、6两日，日寇集中炮火对崞县中国守军猛烈轰击，阵地几乎完全被炸。第十九军第四零七团官兵伤亡极为惨重。7日，围攻崞县的日军增加到五、六千人。日军以飞机20余架、野重炮30余门对县城狂轰滥炸6个小时，北城墙被毁，第四十一团伤亡殆尽，敌人乘机突入。东西城墙守军奋勇夹击，与敌人展开巷战肉搏。入夜，中国守军各级军官亲自率军堵击敌人，日军有增无减，局势无法挽回。8日，王靖国军长不得不率余部突围，崞县陷落。
日军除少部分留守占领区后，大军继续南下，兵锋直指平原镇。原平镇守军为姜玉贞第一九六旅。为使主力能完成在忻口的集结，第二战区长官部命令他“虽剩一兵一卒，也得在原平死守七天（从10月1日算起）”。在部队由代县向原平转移的途中，日军已经在背后追赶了。在距原平还有20里的地方，姜旅即与敌独立混成第十五旅团接火，且战且退。在原平镇外，姜玉贞命令所部构筑工事，死守铁路和公路。日军凭借优势装备，在飞机、重炮、战车的配合下，向原平发起猛攻。姜玉贞亲临指挥，敌人多次进攻被打退，姜旅伤亡日益惨重，阵地逐渐缩小，日军形成对原平的包围态势，最后，姜旅不得不退入城内。
到第7天，日军从城东北角突入，占领城的东半部，与姜旅隔街相抗。这时，姜玉贞又接到命令，命他再守3天。他当即表示：“誓死抗战，无令不离斯士。”10月8日崞县失守后，大量日军围援原平，城的西北部也被攻占。此时姜旅的五千人，还只有二、三百人，被围困在城东北角，但将士们毫无惧色，在姜玉贞率领下与敌展开巷战，短兵相接，逐院争夺。一直坚持到10月10日子夜，完成了守城任务。之后，姜玉贞率余部突围，不料，在城外被敌炮弹击中，以身殉国。11日，日军占领原平。
崞县、原平失陷后，忻口完全处在日军直接攻击之下。忻口为晋北通往太原的门户，是保卫太原的最后一道防线。为了保卫太原，国民党第二战区指挥部集中6个集团军，共31个师、13个旅，约28万多人，由第二战区副司令长官卫立煌任前敌总指挥，组织了忻口会战。具体兵力部署为；以第九、十五、十七、十九军及第十四集团军等部组成中央兵团，由卫立煌副总司令指挥，负责守卫蔡家岗、灵山、南怀化、阳明堡一线阵地；以第十八集团军（除一二零师）、第七十三师、第一零一师等部组成右翼兵团，由第十八集团军总司令朱德指挥，守卫五台山一线阵地；以第六十八、六十一、一二零师及独立第七旅等组成左翼兵团，由第六集团军总司令杨爱源指挥，防守黑峪村迄阳方口一线阵地；以第三十四军、三十五军和第六十六师等部为预备队，由第七集团军总司令傅作义指挥，在定襄、忻县一带策应各方。
而日军参加忻口会战的兵力共约3个师团，7万余人，并配有350多门大炮，150多辆战车和300架飞机。
10月12日，第二战区司令部重新调整部署，调傅作义的预备兵团加入中央兵团作战，与敌继续在忻口一线作战。13日，日军调集五千余兵力，在飞机、大炮和战车掩护下向忻口中央阵地——南怀化猛攻，试图实施中央突破。在日军的猛烈进攻下，南怀化阵地几乎被夷为平地。中国守军虽身陷焦土，仍英勇杀敌，激战至深夜，阵地13次易手，终于将突入南怀化之敌包围歼灭。
14日，日军增兵数千，再次猛攻南怀化阵地，中国守军与日寇展开更为激烈的战斗。右翼中国守军第十五军与敌战至傍晚，将日军一部赶至灵山脚下；左翼第十师则将敌一部击溃，收复了旧练庄等地，但南怀化主阵地陷于敌手，防线上出现破口，拉锯战愈加惨烈。
10月15日，中国第二战区司令部为了进一步扩大战果，歼灭敌人，收复中央阵地，调第九军、第二十一师等部约5个旅兵力在中央兵团总指挥、第九军军长郝梦龄的指挥下，向日军占领的阵地发起反攻。中国军队从正面出击，从三面围攻敌人。
16日凌晨2时，反击开始。在郝梦龄的指挥下，中国军队连克几个山头，到5时许，天色微明，郝梦龄急于赶到第5旅的前沿阵地指挥作战，官兵们告诉他，前面有一段路被敌人火力封锁十分危险，劝他写书面命令派人送去，郝军长说：“瓦罐不离井口碎，大将难免阵前亡。”说罢毅然向前沿阵地奔去，在穿过离敌仅二百米的阵地时，不幸中弹壮烈牺牲，年仅39岁。同时牺牲的还有五十四师师长刘家祺，接着独立第五旅旅长郑连珍也阵亡殉国。
由于忻口中国守军的勇敢作战，日军自10月13日开始进攻忻口中央阵地，到10月底，双方激战半月之久，日军始终未能完全占领这些地区。
日军在忻口附近受到中国军队的顽强抵抗，进展甚微，于是在10月中旬派兵沿正太路向太原进攻。驻守在正太路娘子关隘口的中国守军是国民党第二战区副司令长官黄绍竑所部。自10月11日开始，日军与中国守军在正太路及娘子关周围地区进行战斗。14日，中国守军在娘子关附近得到孙连仲所部的增援，立即对进犯之敌进行反，当日即毙敌数百名。15日，又将侵入关沟之敌1500多人大部歼灭，并于次日拂晓发动全线进攻，与敌血战肉搏，痛歼敌军。但到19日，日军援兵大量增加，并得到飞机、火炮的有力配合，中国军队虽继续奋勇战斗，终因力量悬殊，逐渐转为劣势。26日，娘子关遂被日军攻陷。娘子关失守，忻口中国守军处于腹背受敌的境况。11月2日，第二战区司令部不得已下令忻口守军撤退，保卫太原。洒满中国将上鲜血的忻日于当日被日军占领，战事转向太原。
口战役从10月11日开始至11月2日结束，苦战23天，经过南怀化之战、红沟大战、大白水激战等无数次大小战斗，战事形成对峙，日军三易其帅而无济于事，成为抗战初期在华北战场上最激烈的战役，也是历时最久，交战双方伤亡最大的一次战役。抗日军队先后加入战斗兵力计约16个师10万余人，死伤5万余人；日军投入兵力约5万余人，死伤两万多人。这次会战虽然中国方面失利，付出了重大牺牲，但是由于中国守军英勇抵抗，从而消耗了大量敌军，争取了时间，破坏了日军的河北平原会战计划，使平汉线中国军队得以南撤。
忻口会战之后日军原本想乘胜直取太原，但是大本营却直接命令忻口前线的日军主力第五师团立即北上进攻晋北重镇大同。
11月6日，日军第五师团第九旅团攻占朔州，大军继续向大同方向开进。
朔州.日军第五师团临时指挥部。
第五师团师团长板垣征四郎志得意满地坐在主位上，他有理由自豪也有理由骄傲，开战不久他便率领大军攻破支那精锐之师第13军驻守的军事重镇南口，重创支那政府中央军精锐，随后大军一路南下西进，势如破竹，支那军队望风而逃，兵锋所指所向披靡。
几天前他有攻占了太原的门户忻口，要不是大本营突然来了这么一道命令，现在他恐怕已经攻占自己那位老同学阎锡山的老巢太原了。