1937年10月，為阻擊日軍南下太原，閻錫山決定利用忻口要隘進行正面防禦，阻敵南下。蔣介石急調國民黨第二戰區副司令長官衛立煌率6個集團軍馳援，在同蒲鐵路線的忻口，集結設防，組織會戰。10月13日，日軍在飛機、大炮和戰車掩護下，強渡雲中河，向忻口西北主陣地南懷化發起猛烈攻擊。中國守軍陣地工事被毀，部隊傷亡慘重。陣地失而復得，得而復失，戰鬥異常激烈。在連日鏖戰中，中國軍隊給日軍以很大殺傷，但自身也損失很大，第九軍軍長郝夢齡、第五十四師師長劉家騏、獨立第五旅旅長鄭廷珍等在前線督戰時相繼犧牲。八路軍積極配合和支援友軍的正面防守作戰，將主力部署在日軍側後，開展廣泛的游擊戰。一一五師一部在晉西北切斷由代縣經平型關至張家口的交通運輸線；另一部深入察哈爾和平漢線兩側，進逼保定附近。一二○師在晉西北開展伏擊戰，幾次占領雁門關，完全切斷日軍的後方交通。1937年10月19日凌晨，八路軍第一二九師七六九團在團長陳錫聯、副團長汪乃貴的指揮下，突襲代縣陽明堡日軍飛機場，毀傷敵機20餘架，斃傷日軍100餘人，使日軍空襲一度停頓。在日軍由石家莊沿正太路向西進犯娘子關時，一二九師和一一五師立即馳援，先後在七亘村和黃崖底等地展開戰鬥，有力地阻擊了日軍的前進。由於國民黨軍隊採取單純消極防禦的作戰方針，日軍遂節節推進，對太原和忻口形成大包圍。忻口會戰堅持了近一個月之後，11月2日，衛立煌下令撤離忻口陣地。11月8日，太原失守。忻口戰役共殲敵2萬餘人，是抗戰初期華北戰場上最大、最激烈的一次戰役，也是國共兩黨軍隊合作抗日、配合較好的一次戰役。
