1937年9月25日，八路军第115师在山西平型关一线伏击日寇成功，歼灭其从察哈尔省会张家口南下的精锐板垣第5师团上千人，还击毁百余辆汽车，取得了全面抗战爆发以来中国军队首次大捷，打破了日寇不可战胜的神话，极大振奋了民心士气。

忻口会战关系太原安危

负责山西、绥远两省战事的第2战区司令阎锡山也大受鼓舞，他从1912年辛亥革命开始主政山西，一直将山西省视为禁脔，从来不许他人染指。为了阻止日寇对山西的占领，他邀请八路军总司令朱德共同商讨作战计划，并在10月6日高级军事会议上提出以忻口为核心展开攻势防御的计划。忻口左倚云中河，右托五台山，是省会太原北部的屏障；守住了这里就能守住太原，守住了太原就可定山西以保障华北左翼。

10月13日，稍事休整的板垣第5师团在混成第15旅团配合下，全线进攻忻口守军防御阵地，忻口战役正式打响。这是全面抗战初期华北地区规模最大、时间最久、战斗最激烈的一场战役，参与此战的国民党军完全放弃了派系之争，无论晋绥军，还是中央军，都英勇抵抗与日寇反复冲杀拉锯，第9军中将军长郝梦龄、第54师少将师长刘家麒、独立第5旅旅长郑廷珍等多名将领壮烈牺牲。

八路军连续出击，炸汽车、毁飞机

为配合忻口正面战场，八路军所属3个师也迅速行动。林彪115师连续出击察南、冀西、晋东北地区，收复涞源、繁峙、浑源、广灵、曲阳、灵丘、蔚县、平山、唐县和完县等10座县城，为下步建立晋察冀抗日根据地打下初步基础，也成功切断了张家口至代县间的日寇后方交通线。

贺龙120师先在雁门关以南黑石头沟地区，成功击溃日军一部，取得歼敌500余人、摧毁汽车20余辆的战果；又在王董堡设伏，再次击毁汽车24辆，切断了平型关至忻口的日军后方交通线。刘伯承129师则在代县以西的阳明堡地区发起一场奇袭，将驻扎此处、支援忻口战场的24架飞机尽数击毁击伤，极大解除了忻口守军的空中威胁。

娘子关失守，忻口守军后路被抄

但遗憾的是，尽管忻口守军和八路军在太原北部不断取得战果，但入侵山西的日寇不止北线一路，还有来自东面娘子关的矶谷廉介第10师团等部，在这股日寇持续增兵和优势火力进攻下，山西、河北两省交界的娘子关于10月26日陷落，太原暴露在日寇攻击之下，忻口守军也面临退路断绝、遭遇南北夹击的危险，不得不主动撤退。

11月8日，日寇攻入太原，山西全省震动，阎锡山再也不能阻止起有效抵抗，只能一路向晋西撤退，最后干脆渡过黄河，逃入了陕西境内。