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