1937年卢沟桥事变之后,北线日军攻陷天津、北平等地。日军中央部令华北方面军和关东军各派出了一部分部队，组建4个半师团约14万人，由华北方面军寺内寿一指挥，沿正太路夹攻山西省会太原。第二战区司令阎锡山下令晋军坚守太原，国民中央军卫立煌部亦向太原以北集结。八路军朱德、彭德怀根据毛泽东的指示，令115师协同友军向平型关、大营镇之敌进攻，120师切断大同与雁门关之间交通，129师主力牵制西进日军。对保卫山西的作战，中共中央极为重视，周恩来一直同阎锡山保持着频繁的接触，多次参与重要作战计划，以协调共同作战。
10月1日，日军突破平型关一带之内长城防线，意图是消灭中国第二战区主力。内长城防线被日军突破，太原形势就危急。国民军事委员会急令第14集团军总司令卫立煌率第9、第14军及第85师、独立第5旅等部共四个半师的兵力，转赴晋北增援。中国方面有6个集团军约28万人参战，计划歼灭来犯之敌，遏制日军在华北的攻势。 华北方面寺内寿一命令沿平汉线南侵的第1集团军在适当时机攻占石家庄，并以一部兵力进入井陉以西的要地，切断中国军队在山西方面的交通，向太原前进攻占太原。
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日本关东军第1旅团于9月13日占领山西大同，向雁北地区进攻。日军第5师团连陷广灵、灵丘、浑源等晋东北城镇，形势很危机。第2战区司令长官阎锡山为了推卸晋北作战失败的责任，他按照蒋介石的命令，处决了雁北作战失利的第61军军长李服膺。并决定缩短战线，将兵力集中忻口要隘与敌决战。为了争取忻口和太原作战的胜利，中共军委主席毛泽东致电周恩来，让他转告国民党军事当局：“敌占石家庄后，将向西面进攻，故尤泉关、娘子关两点须集结重兵，重点防御。但是阎锡山和手下却判断日军将在阳方口附近实行钳制攻击 。
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9月21日，日军第5师团2个步兵大队袭击守军第17军侧背，占领团城口。日军第21旅从正面进攻平型关，遭国民党军第73师抗击，24日又增兵猛攻。第35军军长傅作义率2个师增援，日军攻击受挫。八路军115师则在师长林彪、副师长聂荣臻率领下，以主力三个团在平型关公路两侧山地有利地形，伏击日军。 42联队一部和大批辎重车辆由灵丘向平型关前进，在包围圈里被歼千余人，汽车被毁百余辆。日军吃了败仗，板垣像只疯狗一样，日军再次集中14万兵力，一举冲破平型关，目标直指太原门户忻口。
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忻口位于太原以北，自古以来为战略要地。从1935年起，就已在此修筑工事。国民政府令傅作义率总预备军加入中央军作战，卫立煌任总指挥，傅作义任副总指挥。 以第14军军长李默庵指挥第14军及第85、第66、第71师为左翼兵团。第9军军长郝梦龄指挥第19、第35、第61、第9军为中央兵团。右翼为晋军和八路军。
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日军集中5000人兵力，在飞机30余架、炮50余门、坦克50余辆掩护下，采取中间突破的战法，向54师之南怀化阵地及左翼兵团发起猛攻。战至10时许，南怀化沿河工事被毁，守军伤亡殆尽，日军突破南怀化阵地。郝梦龄即以第17军两个团增援堵击，卫立煌派10师及第61军第4旅协力夹击突入之敌。激战数日，毙伤日军3000余人，击毁坦克23辆，南怀化阵地反击战正式展开。郝梦龄率部向占领南怀化之敌奋勇反击，阵地几经易手，双方阵亡几千人。自20日起，日军先后对中央集团军各阵地施放大量催泪性毒气，并向守军阵地实施爆破。
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9军军长郝梦龄中将、第54师师长刘家琪少将、独立第5旅旅长郑廷珍少将等，均先后壮烈殉国。郝梦龄在忻口会战中的山西大白水前线壮烈殉国，时年39岁。他是抗战初期在抗日战场上牺牲的第一位国军军长，被国民政府追认为陆军上将。公祭后以国葬仪式安葬于武昌卓刀泉。刘家麒五十四师少将师长，湖北武昌人。郑廷珍少将河南商丘市柘城县人。几位将军以身殉国，极大激励各方将士英勇作战。
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八路军各部队的游击作战，切断了敌后方运输线，大大减轻了国民党军正面防御的压力，769团3营营长赵崇德带着队伍悄悄过河，潜入机场，共毁伤日军飞机24架，歼灭日军100余人，八路军伤亡30余人，赵崇德光荣殉国。这一胜利，使日军在忻口战场上一时失去了空中力量。旅长陈赓令第772团在七亘村至甲南峪间地区设伏。9时许，敌进入伏击区，经两小时激战，毙日军300余人，缴获大批军用物资。
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刘伯承判断日军辎重队还会再来，决定第386旅在七亘村再次伏击敌人。28日，日军果然以步骑兵400余人掩护，其辎重部队又来了。刚进入伏击圈，第772团突然发起猛烈冲击。战至黄昏，歼日军100余人，再次打击了进犯之敌。八路军接连在黄崖底、广阳、户封村等地连续地伏击日军，予敌以沉重打击，从而迟滞日军行动达一星期之久，掩护了沿正太路撤退的国民党军。但是，从娘子关方面后撤的国民党军已不能组织有效的防御，忻口、太原处于日军大包围之中。
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日军对忻口正面攻击受阻，娘子关方面攻击进展缓慢，遂令第1集团军“部署精锐增援，重心放在娘子关，以步、炮、空联合，向守军阵地展开了全线攻击。然而，对娘子关方面的防御，一直没有引起国民党军事当局的高度重视，阎锡山直到10月10日夜，才派副司令长官黄绍竑赴娘子关统一指挥作战，但为时已晚。守军将士虽经顽强抗击，但因连日血战，部队减员过重，致使防线多处被日军突破 ，已经不可能再守得住了。
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太原方面，日军凭借优势火力继续攻城。战至9时，城垣东北角及西北角被日军轰陷，东、北两面城墙亦被轰开突破口十余处，日军动用了空降部队，日军伞兵占领了城中大校场，并四处袭击。由于娘子关的失守，太原守军官兵虽奋力血战，但终因伤亡过于重大，被迫于21时由城南门突围，向离石方向撤退。
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太原会战结束，中国军队以伤亡13万人的代价，给日军造成约2.7万人的伤亡。历时2个月，是抗战初期华北战场上规模最大、持续时间最长、战绩最显著的一次会战。忻口会战大量消耗日军有生力量，八路军在会战中有力地配合友军作战，平型关伏击战打破了''日军不可战胜''的神话。只是娘子关方面防范疏漏，导致太原丢失。虽然最后会战以失利告终，那也是实力存在差距，毕竟太原会战是八年抗战中，创造了华北歼灭日军人数的最高纪录，也是国共二党在抗战合作上最好的一次。
