事实上当时的局势是日本第五师团从灵邱猛攻平型关、团城口一线，虽然取得突破，但继续处于前方被阻、后方不稳的不利境地。而关东军方面东条英机的部队虽然插入茹越口，占据繁峙城，威胁我平型关前线的侧背，但毕竟兵力有限，对平型关战局也只能起声援的作用。何况晋军方面还有多支闲置在雁门关和恒山两翼，兵力依旧雄厚。
只要作正确的判断处理，仍可清楚的洞悉占领繁峙县城的日军不过是冒险得逞，偶而成就，如果将帅作出以断然的积极行动，调动雁门、恒山两地无所事事的大军，围歼孤军侵入茹越口和繁峙的有限敌人，不仅可以歼灭东条英机所部，打破危局，更可以进而争取平型关前的辉煌全胜。
但是主帅的阎锡山稍临前敌，猝然受阻中途，此刻心怯胆寒，充满失败意识。9月30日深夜在砂河南山麓一个个村里，召集将领会议，让幕僚提出了两个让啼笑皆非的方案：第一个方案调动驻扎代县的马延守和姜玉贞两个旅，协助从五斗山进攻铁角岭的方克猷所部，将日军驱逐于茹越口以外。已过繁峙以东的第三十五军主力的仍以两个旅仍使用于团城口方面，以增强第六十一军的进攻，努力进击，再配合八路军的抄击，歼敌日本第五师团主力军平型关外东河南地区。
第二个方案则是在平型关、团城口一线，继续对板垣师团作顽强抵抗。先以次于繁峙东西的第三十五军为主力，夹击进入繁峙的日军，驱逐日军于茹越口以北；然后带动在恒山的刘茂恩、高桂滋两个军，转向团城口以北，发动更大规模的出击，以消灭第五师团。不难看出，无论是哪个方案，距离繁峙战场最近的晋军第十九军王靖国所部依旧无所事事。因此各军将领提出万一侵入繁峙的敌骑四出窜扰，势将动摇平型关主决战方面的后方，“进出平型关、团城口前，如果不能即时解决战局，再对峙起来，后方对大军的补给被阻，又将如何？”这样的疑问也就无足为奇了。
虽然傅作义主动请战，准备亲去硪口指挥第三十五军夺回繁峙县城，恢复茹越口防御。却因为杨爱源却以其五台人的微妙意识提醒阎锡山说：“热察蒙古人年年朝拜五台山，走熟从繁峙硪口上五台山的大小路径，伪蒙军既占繁峙城，可能再冲击硪口，直窜五台山。”被隔在繁峙以东的阎锡山，一直视其所初辟的从硪口上五台山的土公路，为他当前唯一可以坐车逃生的道路。阎锡山向来不敢骑马，只能勉强骑驴，还得有人前后扶持缓行，加以照料。经杨爱源一提示，认为他想逃走的路，明早可能即为敌骑所截。于是意识一震，击案起立，喊道：“我看如此战局，无法补救了，迟退且陷全灭！星如（杨爱源字）、宜生（傅作义字），就下令全线撤退吧！”
平型关、团城口一线，晋军先后将4个军投入战场，对日军第五师团主力苦战近半月，牺牲兵员上万。更由于八路军第一一五师迂回日军后方，创造了大军出关围歼敌人的大好形势。最终仅仅为了侧后方雁门山分支战场上，一小部敌人的侵入茹越口，袭占繁峙城，而导致守军全线溃退，本来可以获得的胜利却以失败告终，只能说明阎锡山用兵之昏聩。
阎锡山既决心弃守平型关，且连雁门山全线均予放弃。会议后，即以电话指示代县的王靖国，但是电话已不通，阎锡山更感仓皇不安，急和杨爱源、傅作义、孙楚等人商议，举晋北大军转向五台山、云中山、芦芽山之线移动，集中主力于石岭关（太原北百余里）以北的忻口地区，以保卫太原，照顾其二十多年所积累的家当。
平型关大捷，打破了抗战以来“日军不可战胜”的神话。第一一五师仅此一战，威名远扬，中国**和八路军也因此赢得了国内外舆论的普遍赞扬。来自国内各地乃至海外的祝捷电报雪片似地飞往南京，飞往延安。连蒋介石看到八路军出师告捷的电报后，也大为惊叹："我几十万军队久驻华北，尚不能打一次胜仗，为什么刚一上阵的八路军就能首战告捷？"随后，他连续两次给朱德和彭德怀发电祝贺。
平型关大捷前，不要说国民党军，连山西老乡也看不起“土八路”。日军在中国如入无人之境，突然被狠狠地“当头一棒”，日本国内也晕了头。平型关击毙的日军军官最高是个营级，可第二天的国民政府的报纸竟登出板垣征四郎的“死讯”。
为何而战？永远是战争中最永恒的一个问题，它直接关系人心的向背和军队的士气。如果说在第一次国内战争之中，中国**的信仰和主张还不能为当时的国人所普遍认同的话，那么北上抗日和平型关大捷却无疑将这样一个政党和这样一支军队推到了全国人民的面前。人民的选择永远都基于最为淳朴的理由，在国难当头之时，谁能抵御外侮，谁自然便是人心所向。
日任国民党军事委员会作战部部长的桂系将领黄绍竑当时从太和岭口辞别阎锡山后，乘火车回南京，刚到达石家庄，就传来了八路军平型关大捷的消息。他亲眼目睹，当时石家庄的人民群众，以无比兴奋的情绪庆祝这个胜利，竟然在那种时候放起鞭炮来，几乎把敌机的空袭都忘记了。可见当时的中国实在太需要一场胜利了。当然此时黄绍竑还不知道，仅仅几天之后，蒋介石就任命他为第2战区副司令长官，负责指挥娘子关之战，和忻口之战一起成为保卫太原的两翼。
忻口镇位于忻定盆地的北缘，距离忻县县城25公里，是五台山(太行山支脉)、云中山(吕梁山支脉)峡谷中一个隘口，恰如忻定盆地的葫芦口。由雁北进入太原，这里是惟一的交通要道。隘口东侧滹沱河傍五台山脚灵山主峰东流而去，展开了忻定盆地的宽大地域，忻口镇迤北(2.5公里)是界河铺，紧贴在滹沱河左岸。隘口西侧是云中山。云中河从云中山脚流经大、小白水村，与滹沱河，双流合抱，东流而去。高山、大河夹着10公里川道，横穿而过的云中河犹如门闩锁住了忻定盆地的葫芦口。
忻口地势之险要，更由于这高山、大河夹峙之间，凸起一道东西宽3至4公里、南北长16公里的山岭，名为金山，也称银山或忻口诸山；俗称孤山40里，大约指它的周边而言。它北衔云中河，西傍云中山，东频滹沱河。这道拔地而起的孤山，把忻定盆地入口处的10公里正面，分割为两个管状孔道：右孔道为忻口诸山与五台山脚灵山主峰之间约一公里夹缝，铁路、公路同滹沱河集于一束，像透过针眼的线头，从这个夹缝中－－忻口的"口"上穿行而过，由此不但构成了出入晋中的交通孔道，也被军事地理上称之为战略咽喉。左孔道则为忻口诸山与云中山之间较为宽阔而狭长的地域，车辆不通。
忻口是右孔道上的一个小镇，南怀化是左孔道上的一个小村，彼此依傍于忻口诸山的左右，恰像两只鸟瞰忻口的眼睛，左右孔道地区的所有动静，均难避开它们的监视。忻口诸山高度不大，坡度较小，视野开阔。从整个忻口地区由外延到内廓两个方面的地理形势观察，不论防御或进攻，其战略地位均极重要。从防御作战说，它是纵深阵地，战略上处于守势的军队退至忻口，便强化自身的防御地位；从进攻作战说，它是攻击部队的后方基地，战略上处于攻势的军队，兵发忻口，则加强了进攻的态势。
宁武、雁门、平型三关虽险，但是峰壑相间，不易联系，忻口正在三关之后适中之地，形同扇面，连成一气。因此三关像指，忻口似掌，进则如掌运指，迅速有力，退则坚实如拳，牢不可破。坐镇忻口，既可指挥三关，又可补给三关，还能调节三关之间的有余和不足。因此早在2000多年前，忻口就被确认为军事要冲。根据《魏土地记》的记载：汉高祖刘邦出平城之围，还军至此，六军忻然，因此名为忻口。是太原北部的屏障。守住了忻口就能守住太原，守住了太原就可定山西而保华北。
而日军在雁北和平型关两线所取得的突破和战绩，诱使日本军部将战略重心从华北平原转向山西腹地。10月1日，日本政府发布《处理中国事变纲要》，提出“结束战争方略和10月攻势”。当日，日军中央统帅部命令板垣征四郎率华北方面军第五师团和察哈尔派遣兵团进攻太原。并命令关东军以一部兵力归华北方面军指挥，参加进攻太原的作战。
华北方面军司令官寺内寿一遵令于当日晚间下令，第五师团并指挥进入内长城以南的关东军向太原发动进攻；接着命令第一军突破石家庄一带中国守军防线向南追击，以一部进入井陉以西地区策应第五师团进攻太原的作战；命令第二军从滏阳河左岸地区发动攻势，攻击石家庄地区中**队的侧背。此时板垣征四郎手中已经握有3个师团，7万余人，并配有350多门大炮，150多辆坦克和300架战机的支援。
为确保山西要地，蒋介石令卫立煌率第14集团军4个半师从河北星夜驰援忻口，任卫立煌为前敌总指挥，组织忻口会战。10月5日，阎锡山召集卫立煌、黄绍竑、杨爱源、傅作义等研究晋北防御战的兵力部署，周恩来也应邀参加，会议针对日军从平型关、雁门关、阳方口三路南犯的态势，把入晋作战的各路大军统筹划分为中央军、左翼军、右翼军和总预备军，拟从10日开始，协同攻击前进，乘敌立脚未稳，迅速击破。
为了保卫苦心经营几十年的老巢—山西政治、经济、文化中心的省城太原，。因此，第二战区司令长官阎锡山可谓不惜一切，调重兵于忻口阻击日军。而坐镇陕北的**获悉二战区对晋北防御战的兵力部署后表示，他不反对使用一部分兵力于正面，但是强调八路军主力必须使用于侧面，采取包围迂回战法，独立自主地攻击敌人，就是在正面作战的军队，也不可用单纯防御的战法，主要应采取“反突击”的战术。
同时**同时研究了日军惯于使用迂回战法、第二战区丧师失地屡受其害的经验教训以及阎锡山关于“敌人对晋北方面是主力的进攻，平汉路方面是助攻”的观点。第二天，10月6日，**特地致电周恩来等，提出华北作战的战略补充意见，指出日军石家庄后，将向西面进攻，故龙泉关、娘子关两点须集结重兵，实行坚守，才能使主力在太原以北取得胜利。
日军在占领茹越口、铁角岭、平型关之后，会师于繁峙，进攻绥远的察哈尔派遣兵团另一部则于9月28日攻占朔县，30日越过阳方口，向晋北交通要点宁武进攻。至此，中**队内长城防线又被敌突破，日军逼近忻口。10月1日，华北日军主力板垣第五师团及关东军察哈尔派遣兵团第一、第二、第十五混成旅团与特种部队等共3万余人，沿代县至原平公路发起进攻，忻口战役序幕拉开。
日军以正面进攻结合迂回，在猛烈的炮火、坦克和飞机支援下攻打崞县、原平。守军第十九军主力奋勇阻击直至白刃鏖战，坚守一周，战斗十分惨烈。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。最终驻守崞县西关独立第七旅一个团全替殉国，团长刘连相、石焕然在战斗中阵亡，崞县陷落。驻守原平的晋军第一九六旅姜玉贞所部与敌血战10天，以劣势之军抗击强寇，也几乎全部壮烈殉国。11日，日军占领原平。
而为了为配合忻口正面抗击日军的进攻，八路军在日军翼侧和后方积极打击日军。第一一五师一部于10月13日收复平型关，并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。第一二○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。
八路军第一二○师对日军后勤运输线的袭扰，使板垣师团的军需供应极度不良；食物不足，兵士们饥饱无常，弹药短缺，各种兵器的效能不能充分发挥；油料缺乏，机械化装备和其他机动车辆不能足数出动；重兵器成了兵士的负担，一门大炮要几十人推拉；晋北的10月已寒气袭人，但敌人却没有冬衣。兵士食不果腹，衣不御寒，不得不以军毯裹身，玉米充饥。还有伤兵不能及时后送，在堑壕里呻吟不已；死者不能转运，阵地上尸横枕藉。因而士气沮丧，军心动摇，雄心勃勃的板垣征四郎已经无力爬过忻口。八路军第一二九师第三八五旅第七六九团陈锡联所部更在山西省代县以南阳明堡夜袭日军前线飞机场。令日本陆军不得不抽调大量兵力用于稳定后方。
但崞县、原平失陷后，忻口完全处在日军直接攻击之下。两军在狭窄在阵地前线反复拉锯。双方激战半月之久，日军始终未能完全占领这一交通要隘。鉴于板垣征四郎在忻口附近受到中**队的顽强抵抗，进展甚微，华北方面军在10月中旬调集3个师团的兵力沿正太路向太原进攻。当时中**队方面部署在保定以北平汉线上的孙殿英部一触即溃。平汉铁路前线总指挥刘峙又乘火车仓皇南撤到豫北，华北前线各部队，陷入指挥无人的尴尬境地。
虽然蒋介石命第五十二军军长关麟征为临时指挥官，将河北南部各部队向石家庄以东转移，至晋县一带收容整顿。但是沿平汉线南犯的日军，已经在进攻石家庄的同时，以一部兵力西进，直扑娘子关，与由晋北南下的板垣征四郎会攻太原。此时，保卫娘子关已经成为了稳定华北战局的众宗之重。
当时在娘子关一带虽然有孙连仲的第二十六路军、冯钦哉的第二十七路军和曾万钟的第三军。但除了冯钦哉的第二十七路军之外，其他部队均未来得及进入战区。而冯钦哉指挥部更由于位置不定，电台无法联系。蒋介石只能派黄绍竑为第二战区副司令长官，担任娘子关前线指挥官。调动陆军第三十八军第十七师赵寿山所部防守娘子关、旧关一线。
但由于日军向西推进的速度较快，赵寿山接受防守娘子关外围的任务后，不得不率领部分兵力主动出击，在获鹿附近滞留日军两昼夜。虽然第十七师利用这一机会在雪花山、乏驴岭一带进行了部署。但是娘子关外围没有既设防御工事，雪花山、乏驴岭又都是石山，构筑工事困难，只能用麻袋装土做成掩体，在拥有优势装备的日军进攻面前，第十七师的防御任务是十分艰巨的。
10月12日凌晨，日军第二十师团川岸文三郎所部向娘子关发起全面进攻，雪花山首当其冲。激战两天一夜，雪花山反复易手数次，至14日拂晓雪花山最终为日军占据。日军占领雪花山后，继续向乏驴岭阵地发起攻击，企图突破正面，继而进攻娘子关。到19日下午5时乏驴岭阵地失守，娘子关前沿最终全线告急。
21日，日军第二十师团得到第一○九师团一部增援，继续在航空兵支援下正面进攻娘子关，掩护第二十师团左右两个突击队向南运动。与此同时第二十师团辎重部队在行经七亘村，先后两次遭八路军第一二九师伏击。这样的小规模伏击已经无法影响整体的战局。就在七亘村第一次伏击战同一天，日军攻占柏井，威胁娘子关与旧关国民党守军的侧背。娘子关防线上的国民党部队惧怕后路被切断，争相撤退。日军乘势尾追，29日占领平定，30日占领阳泉，占领寿阳。娘子关的陷落，使忻口守军陷于腹背受敌的困难。坚守了23天的忻口，于11月1日放弃。晋北、晋东战局陡然恶化。
娘子关守军当日全线撤退，日军沿正太铁路（石家庄—太原）向西追击，并击退尚未集结完毕的川军第四十一军的阻击。11月2日占寿阳。日军迅速逼近榆次，危及太原。11月4日和7日，日军第二十师团直属队在广阳山地又遭八路军第一一五师、第一二九师各一部的伏击。但是面对庞大的日军攻坚部队，整个山西的局势依旧岌岌可危。