原平守軍楊澄源34軍姜維玉貞196旅防守忻口正北方，日軍出動20多架飛機，幾十門火炮猛烈轟擊進攻。10月3日，日軍重炮將原平城牆轟出大缺口，進攻部隊湧入。旅長薑玉貞持槍督戰，日軍連沖4天沖不進去，還被夜襲炸毀多輛坦克裝甲車。10月7日開始日軍人海戰術猛攻，晉綏軍抵擋不住退入城內。196旅的3個團長中，第413團團長崔傑犧牲，第392團團長張振鈴重傷，旅長姜玉貞右臂中彈。仍奮力抵抗城內巷戰，再堅持了2天2夜。最後與日軍逐院爭奪肉搏，從旅長往下全旅殉國，直到10月11日原平被日軍攻陷。
日軍主力進攻原平西邊的甯武等地情況大同小異，晉綏軍獨立第7旅馬延守旅甯武死守5天5夜。崞縣，原平，甯武三地戰鬥太激烈，板垣征四郎都感到兵力不足。緊急命令趕到河北的第9旅團，立即返回忻口前線。十多天忻口週邊陣地全失，不過為忻口守軍爭取了時間，從容完成防禦部署。最重要衛立煌14集團軍及時趕到，晉綏軍多達9個團的炮兵也開上來了。
忻口村是忻定盆地的北門戶，地形狹窄河流穿梭，部隊不易展開易守難攻。右面是五臺山左面是雲中山，山間只有河谷通行，河谷連接同蒲鐵路和晉北公路，成為進入太原的唯一道路。河谷中蔡家崗，靈山，界河鋪，南懷化，大白水村，晉綏軍早在年前就修築好的大量半永久性的工事。
忻口防禦分為左中右三個部分。劉茂恩15軍在右翼山地防禦，日軍主攻方向中路，由中央軍郝夢齡第9軍，晉綏軍陳長捷的61軍，高桂滋17軍等部防守，郝夢齡統一指揮。左翼以中央軍李默庵14軍，晉綏軍郭宗汾預備2軍，王靖國19軍孟憲吉，獨立第8旅等部防守，李默庵負責指揮。晉綏軍8個炮兵團全部放在中路。
忻口前線國軍總兵力達8萬多人，火炮2百多門飛機數十架。同時，閻錫山命令何柱國東北騎兵軍，趙承綬的晉綏軍騎兵軍，朱德第18集團軍3個主力師，進入敵後晉北地區，全力破壞日軍後方的後勤補給線和據點。13日清晨，日軍出動30多架飛機，56輛坦克和50門重炮配合5千多步兵進攻，中路郝夢齡陣地和左翼李默庵陣地。
中央軍李默庵14軍第10師，本來在石家莊和日軍作戰，突然接到進入山西作戰，立足未穩遭受很大的傷亡。14日日軍忙於調兵沒進攻，10師利用時間修建了防禦工事。15日日軍增兵1萬多猛攻。日軍先用飛機轟炸重炮轟擊，然後坦克突前步兵跟進。始終無法擊退第10師，傷亡很重被迫停止進攻。中央軍第10師守住了左翼陣地。
右翼劉茂恩15軍標準雜牌部隊，原是地方軍閥劉鎮華的鎮嵩軍，主力由土匪流氓民團等各人組成，戰鬥力和武器裝備都很差。主力64師總共4門山炮，該師191旅1千多人，除1個營裝備新式步槍，其餘全部是破槍炮，只能近距離射擊沒有刺刀。為此仿效西北軍配一把大刀，新兵長矛和紅纓槍。如此土匪部隊與1千多日軍，在東西榮華村激戰3天3夜。由於15軍並不是日軍主攻方向，在強攻幾天進展不順，日軍停止大部隊進攻，改用飛機轟炸重炮轟擊。
左右翼第一階段日軍進展不大，李仙洲的21師兩個團奮力反衝擊，一舉收復大白水村全部陣地，一直守到忻口戰役結束。晉綏軍2百火炮全線轟擊，陳棲霞空軍奮力出擊，全力掩護作地面部隊，對日軍進行多達42次轟炸。還用4架飛機轟炸陽明堡附近小鎮，據說是日軍板垣指揮部，後者僥倖逃走小鎮夷平。
板垣征四郎沒料到國軍有如此火力，對方防守頑強士氣很高，自己兵力不占優，火力甚至局部被國軍火力壓制。從14日開始見日軍進攻受挫傷亡大，晉綏軍司令傅作義和中央軍衛立煌考慮出擊，主攻方向是南懷化陣地。國軍集中主力全線進攻，但日軍防禦能力很強的，高桂滋17軍21師李仙洲師長，新編第4旅旅長於振河相繼負傷，兩軍反復爭奪南懷化陣地數次易手。李仙洲和郝夢齡協同進攻，兩人親赴一線指揮作戰，李仙洲為此受重傷。
當時蔣介石和閻錫山都命令八路軍115師，120師，129師進入日軍後方，全力破壞日軍交通線。八路軍雖自稱120師，發動4次殲滅戰，消滅日軍1千多人，擊毀汽車1百輛。115師殲滅日軍2百多人，汽車數十輛，馬車1百多輛。129師1營偷襲陽明堡，擊毀飛機20多架。但整個忻口戰役日軍增兵3次，每次兵力都在1萬人以上。每次使用2-3百輛卡車運輸，基本上都暢通無阻，並未受過共軍4萬部隊阻擊。八路軍所謂戰績水份頗多，真和日軍打仗根本不行。
傅作義和衛立煌看到八路軍難於阻敵增援，都認為必須將忻口前線日軍擊潰，如此增援而來的日軍自解。於是第二輪反擊開始，反攻作戰至16日，第9軍軍長郝夢齡軍長，第54師劉家麒師長，獨立第5旅鄭廷珍旅長先後殉國，晉綏軍35軍第218旅旅長董其武負重傷。總指揮衛立煌命令晉綏軍61軍軍長陳長捷代替郝夢齡指揮。“陳屠夫”不是浪得虛名，在陳嚴厲指揮下國軍反攻不止。
打到17日日軍控制大部分陣地都被國軍奪回，板垣征四郎還是感覺堅持不住，向華北派遣軍總司令寺內大將再要援軍。寺內壽一命令已經趕往保定，原第5師團國崎登第9旅團，馬上返回山西作戰。日軍在得到1萬增援以後，從17日開始全線進攻。
以1千多人進攻左翼劉茂恩15軍，以5千多人進攻中路官村，南懷化陳長捷陣地。以3千多人30多輛坦克，進攻右翼李默庵陣地。所幸此時國軍已積累防禦經驗，彈藥充足炮兵奮力還擊，防住三路日軍進攻。陳長捷率軍和日軍硬拼，61軍下屬4個團中，南口戰役416團團長張澎增殉國，434團團長程繼賢在平型關殉國，433團團長曹炳則在忻口殉國，唯一剩下的那個團長重傷，208旅旅長於鎮河也受重傷。
板垣征四郎再次向華北派遣軍司令寺內壽一大將求援，寺內無奈下只得調動，河北後方駐守中國駐屯步兵旅團第2聯隊，增補了大量坦克，工兵，騎兵，組成了近萬人的萱島支隊，火速增援到忻口一線。這是日軍第三次增援兵力萬人以上。萱島支隊在10月24日投入忻口戰場，但十多天進展緩慢傷亡巨大。
此次忻口戰役是最後防線，閻錫山破釜沉舟將9個炮團，全部運到忻口前線，太原兵工廠將庫存8萬發炮彈全部拿出，每天火車運送彈藥到前線，炮兵的轟擊是日軍傷亡3萬多人的重要原因，這是北方抗戰以來，中日軍隊雙方第一次大規模炮戰。
晉綏軍火炮雖數量不少，但都是射程僅6公里的山炮，在日軍中不過是聯隊一級火炮。日軍旅師團級裝備大量射程遠，威力更大的75毫米野炮，150毫米榴彈炮。日本空軍首要攻擊目標，由步兵改為晉綏軍炮兵，同時用偵察機觀察晉綏軍炮位，修正己方火炮射擊精度，因此日軍炮兵白天佔據上風，用遠程野炮壓制晉綏軍火炮，同時空軍加大力度轟炸。
晉綏軍炮兵開始轉變作戰方法，修築堅固防空防炮工事，停止白天炮擊轉為夜戰。白天測量敵人位置，晚上集中炮火轟擊。23天時間內晉綏軍炮兵，一共發射了4萬多發炮彈，平均每天發射2千多發。日軍在前線損失的3萬人中，相當部分是晉綏軍炮兵功勞。
當時國軍空軍主力全部在上海作戰，2個月激戰損失大半，蔣介石仍派陳棲霞4個飛行中隊支援。平型關戰役陳棲霞空軍，多次奮勇轟炸日軍。他們出動30架飛機，9月19日掃射日軍進攻部隊，炸毀大量重武器。擊落日機2架，擊斃日軍偵察機中隊長平長一大尉，重轟炸機大隊長秀島正夫少佐，日軍損失14名飛行員。
第5師團長板垣征四郎前進無力，再次要求總部援助，但寺內壽一表示無兵可派，平津一線部隊都沒有了。淞滬戰役日軍傷亡巨大，日軍華北方面第5，6，16師團要到到上海助戰，山西的戰役必須儘快結束。日軍忻口戰役毫無進展下，唯有寄希望東面進攻的第20師團，命其立即從河北攻擊娘子關，目的是側翼迂回攻陷太原。
忻口兩軍繼續拼到27日，但娘子關一線防守失利，閻錫山被迫將晉綏軍中，戰力最強35軍調回太原防守。日軍此時重新佔領少量陣地，但雙方仍然僵持狀態。日軍維持進攻忻口同時，10月11日出動部隊，從河北攻擊山西東部佯攻。此處原屬楊虎城17路軍，屬下幾個師戰鬥力很弱，中央軍第3軍曾萬種部戰力也有限。日軍迅速佔領晉東防禦核心娘子關的“舊關”，然後調動第20，第108，第109三個師團，沿著正太路進攻娘子關。
雖然遭遇國軍頑強抵抗，無奈日軍兵力強大，主力都在忻口一線，防堵部隊是地方軍閥部隊，僅有中央軍第3軍稍有戰力，最終娘子關失陷。日軍將趕來增援的西北軍孫連仲部，川軍鄧錫侯部，八路軍劉伯承部驅趕，11月2日佔領壽陽。日軍從側翼打進太原，正面忻口防禦沒有意義，死守下去被前後夾擊，最後會被日軍包圍消滅。11月1日閻錫山命令總撤退，自此忻口戰役結束。
忻口戰役中日兩軍激戰23天之久，日軍傷亡3萬多人國軍10萬人。此戰雖然沒能保住太原，但日軍主力也被打殘，本打算抽調華北3個師團，增援淞滬計畫也落空。忻口戰役日軍損失過大，無力佔領整個山西省。山西省一部始終由國軍控制，吸引了華北5省大量日軍，成為華北抗戰基地。20多萬中央地方部隊常駐山西，最後堅持到了抗戰勝利。
忻口戰役是抗戰初期，華北中日軍隊大決戰，國軍犧牲54師師長劉家騏中將，獨立第5旅旅長鄭廷貞少將，196旅薑玉貞少將，73師張以禮少將等眾多將領。71軍的李仙洲師長胸部重傷，中央軍第9軍上將軍長郝夢齡殉國，戰役中官兵傷亡近10萬人。
當時全國中央軍和地方軍閥部隊，總共182個師軍長幾十人。抗戰3個月國軍犧牲3個正副軍長，淞滬會戰打掉14個將軍，南京保衛戰拼死11個將軍，前後兵力打掉50多萬人。抗戰初期國軍絕不存在“消極抗日”之說，中央軍更是抗日絕對主導力量。執政黨篡改歷史編造謊言，至今欺騙無知群眾無恥到極點，冒領抗戰勝利70周年之功天誅地滅。
