不过，虽然中国军队在平型关取得了胜利，但是第二战区的抗日形势，仍然不容乐观，日寇在经历平型关失利之后，恼羞成怒，组织日寇在灵丘，朔县大肆屠杀平民泄愤，更是狂妄地号称“一个月拿下山西，三个月灭亡中国”，调集7万大军进攻山西，目标直指山西的战略要地，忻口，忻口师太原的屏障，守住忻口就能守住太原，守住太原就能守住山西，守住山西就能守住华北，可谓是牵一发而动全身。
保卫忻口的军队由阎锡山坐镇总司令，卫立煌，朱德，黄绍竑担任副总指挥，但实际的指挥权，在卫立煌手中，卫立煌作为总指挥，虽然名义上领导八路军，但是对于八路军内部的事情，从来不横加干预，尽量减少摩擦，甚至为了八路军与共产党之间能够精诚团结，不惜亲自飞到延安面见毛泽东，种种举动，影响了卫立煌在蒋介石心中的形象，但是在当时的大环境下，蒋介石也无话可说。
在军队部署方面，卫立煌调集了6个集团军，共计31个师，总兵力28万余人，而前来进犯忻口的日寇有三个师团，总兵力7万余人，配备大炮350门，150辆战车，以及300架飞机，由坂垣征四郎统一指挥，在平型关吃瘪的坂垣急切地需要在忻口树立自己在日本国内的威信，因此下令不惜一切代价拿下忻口！
中方军队因为派系太多，人数太多，待到10月1日，中方主力还未完成集结，而日寇却已经出发，直奔忻口的咽喉之地原平，形势一度十分危急，关键时刻，卫立煌将死守原平的任务则是交给了心腹爱将，晋绥军第66师196旅，旅长姜玉贞，当时姜玉贞的母亲和妻子刚刚离世，完全可以以奔丧的理由不去前线，但是姜玉贞仍然带着196旅的五千多名热血男儿毅然决然地踏入战场，10月1日姜玉贞临行前，阎锡山亲自给姜玉贞打电话，并且给姜玉贞下了死命令，“虽剩一兵一卒，也得在平原死守七天！”
姜玉贞临行前，率领全旅五千多将士在指挥部门前大喊“死守原平七日”！连喊三遍以壮士气，并且下令，谁敢逃跑，就地枪毙，绝不留情，姜玉贞深知，以区区五千人，阻挡七万日寇于一座没有多少防御工事的小县城7天，无异于天方夜谭，因此，姜玉贞没有死守原平，而是主动出击，在原平又向前推进20公里修筑防御工事，战事一起，姜玉贞且战且退，在保证自己实力的同时，尽量阻止日寇前进的步伐，日寇在距离原平几个小时的路程，硬生生被姜玉贞拖了两天，而姜玉贞的主力仍在，10月3日，姜玉贞率部进入原平县城，决心死守。
日寇很快兵临原平城下，并将其团团围住，又有飞机，又有大炮，人数也多的日军很快就对平原县城发动一轮又一轮的强攻，战事非常焦灼，姜玉贞为了激励士气，不顾被狙杀的危险，身着黄呢子大衣站在城墙上，与士兵一起战斗，两日激战，196旅死伤大半，姜玉贞爱兵如子，为了能使受伤的士兵及时得到医治，遂让医护兵送伤兵出城，不过姜玉贞太高估了日寇的人性，伤兵和医护兵很快就被日军包围，伤兵被日寇当场枪杀，而女性医护兵更惨，在被日寇轮番侵犯致死之后，又拿刀划开肚子，掏出脏器，姜玉贞得知消息之后，痛哭流涕，不顾纪律，将所有的日本俘虏就地枪决！
第七日，原平城墙的东北口被打开一个缺口，战事陷入更加艰苦的巷战，姜玉贞成功完成死守原平7天的任务，在他带领部下撤退之时，突然又接到“再守三天”的命令，姜玉贞果断放弃突围，与杀红眼的196旅战士又与日寇巷战三天三夜，待到第10日，姜玉贞当时带出来的五千多名战士，只剩下了二百多人，其余全部牺牲，无一苟活，而姜玉贞旅长，则是在撤退的途中，被日军炮弹炸伤了腿，被追赶上前的日寇用刺刀刺死，并将姜玉贞旅长的头颅割下带走，以表其怨恨，196旅在原平阻挡日寇整整十日，打乱了日寇的计划，11日，日军又在周围村庄肆意屠杀平民，以示报复。
原平失守，忻口已经完全暴露在日寇的直接攻击之下，忻口不是一个地方，而是在五台山和云中山之间的一块平原，也是太原的最后一道屏障，13日，日寇在飞机大炮的掩护之下，攻击忻口的中央阵地南怀化，镇守南怀化的是第九军，军长郝梦龄，主力是第54师，师长刘家琪，南怀化阵地是一处数十米高的小山丘，在一天之内，几乎被炮弹夷为平地，南怀化阵地两日之内，13次易手，主力师刘家琪部更是一日之内损失千人，南怀化虽然落入敌手，不过左右两个阵地被拿下，10月15日，第二战区司令部为进一步扩大战果，直接调第21师约5个旅在郝梦龄的指挥之下，向日军占领的阵地发动反攻，郝梦龄亲临前线指挥，并以“站在哪里，死在哪里”为口号，表明绝不后退之心，16日凌晨2点，反攻正式打响，战事极为惨烈，一个团只剩下一百余人，有的连只剩下了两人，郝梦龄军长，刘家琪师长，郑延珍旅长都已阵亡，郝梦龄也是抗日第一位牺牲的军长。
忻口战役中，中央军在正面战场顶住了敌军火力，而装备较差的八路军则是在日寇的后方不断袭扰，贺龙的第120师，先后收复了宁武，广陵，而刘伯承的第129师则是夜袭日军阳明堡机场，炸毁飞机二十多架，正是国共两党在前后战场的不断配合，忻口战役的主战场一直到10月底，日军没有取得任何进展，但是，在十月底的副战场娘子关出了问题。
娘子关位于晋东地区，一旦失手，忻口的国军就面临被两面包抄的危险，当时主战场烽火先起，阎锡山抽调了娘子关多支部队前往忻口增援，导致娘子关兵少将寡，镇守娘子关的，只有西北军冯钦哉的两个师，中央军二流部队曾万钟的两个师，以及赵寿山的一个师，亦没有预备队，这五个师也就赵寿山的38军17师算是精锐，其他四支部队武器装备都比较落后，总指挥师第二战区副司令黄绍竑，这五个师依据天险，呈一字型撒在娘子关的各处关隘，一旦一个地方被捅破，就有全线崩盘的危险，这是黄绍竑指挥犯得第一个错误。
一万多日军首先进攻的是娘子关的犄角，雪花山，这两座山峰相互依托呼应，雪花山守住了，娘子关的压力变会减轻大半，镇守雪花山的是赵寿山的部队，不料赵寿山麾下的102团团长张世俊贪功心切，在守住两天之后，违令下山偷袭日军，导致雪花山被反偷袭，赵寿山闻之大怒，马上将赵世俊法办，并率领部队强攻雪花山，很显然日军不会轻易放弃到手的阵地，他们占据地势之险，居高临下死战不退，赵寿山全师11000多人，阵亡9000余人，全师几近覆没，仍是无法收复雪花山。
随后娘子关战事接连不利，10月13日，日军鲤登大队强攻旧关，旧关乃是娘子关的屏障，地理位置十分重要，但就是这么重要的地方，黄绍竑却将其设计成两军接壤之处，守备最为薄弱，这是黄绍竑在忻口战役犯得第二个，也是最致命的错误，不愧于后人评论忻口战场——卫立煌北面死顶，黄绍竑东边漏风。
日军强攻旧关之时，国军仓促迎战，战事十分惨烈，日军鉴于旧关地势之险，调动飞机对山头进行狂轰滥炸，整个旧关地动山摇，一片火海，随后日寇大举攻关，冯钦哉在旧关仅抵抗一上午，一个师一万两千多人就剩下四千多，下午遂率残部撤出旧关，旧关失守，此时阎锡山也感觉副战场战事不利，遂命令曾万钟的两个师回攻旧关，同时调孙连仲的27师，唐淮渊的12师35旅前来支援，不料日军增兵甚速，一旦得手，绝不肯轻易交出。
中日在旧关血战7日，始终无法夺取旧关，曾万钟的部队本来战斗力就不强，面对火力十足的日军，一战打到解放前，全师营以下军官阵亡27人，全师13000多人，仅剩下3000多伤兵，其惨状让曾万钟站在前沿阵地嚎啕大哭，阎锡山见旧关无法收复，只能再调汤恩伯进攻日军侧翼，但已然无事于补，10月26日，娘子关失守，阎锡山做最后一搏，命川军41军孙震，八路军129师刘伯承前往堵截，可惜为时已晚，11月1日，寿阳城沦陷，日军已直逼太原，再守忻口已无意义，11月2日，卫立煌下令全军撤出忻口阵地，转战保卫太原，为期近一个月的忻口战役以遗憾落幕。
在镇守忻口的部队撤退之后，太原城已经无险可守，11月4日，阎锡山率部撤走，5日，周恩来撤回延安，此时保卫太原的是傅作义，傅作义手上只有两个旅，万余人，而且大部分都是训练不足的新兵，面对数万装备火力均优于自己的日寇，守住太原是不可能完成的任务，日军先是用飞机洒下大量传单，叫嚣投降，随后又派出多批特务，悄悄潜入城中制造混乱，军备傅作义一一压制，日寇见此法不行，于11月6日强攻太原。
守城的代价就是伤亡，首日，傅作义的军队就只剩下了两千余人，但是傅作义仍然是死战不撤，日军散播谣言，称傅作义自己早跑了，军心动摇，直至11月8日，太原的戒严总司令曾延毅从太原逃跑了，军心彻底无法修复，9日，傅作义只能撤回，太原沦陷。
整个忻口战役持续了两个多月的时间，也是抗战初期，在华北战场规模最大的一场战役，纵贯忻口战役，中方投入了28万的部队，阵亡了十万多将士，战斗最为激烈之时，一个小时就能消失一个团的番号，不过击毙两万多日寇，伤敌亦有两万多人，这足以鼓舞中国人的士气，纵贯这次战役，纵然有中国军队武器落后，编制不全等弱点，但是更多的还是暴露出指挥不当，以及国内依旧存在的派系问题，在蒋介石还没有达成坚定抗日的信念之前，阎锡山的晋绥军一直是蒋介石的心腹大患，因此趁着日寇南侵的机会，蒋介石以晋绥军为主体，其他地方军为次要，与日本精锐进行对抗，后来发现事态严重之时，蒋介石再派自己的中央军队，已经晚了。
至此之后，由国民党领导的中央军，再也没有在华北领导大战的能力，作战的主要方向是由共产党领导的敌后武装，先后开辟了9月冀中抗日根据地，11月晋察冀军区，12月冀南抗日根据地，而日军因为在忻口会战的巨大消耗，长时间都无法继续南下。
