在八路军给予进攻平型关之日军第5师团以有力打击时，日军关东军察哈尔派遣兵团于1937年9月27日和28日，先后突破中国第二战区茹越口、下村内长城防线，直逼繁峙，威胁平型关、雁门关侧后，第二战区部队遂放弃平型关、雁门关，退守忻口东西一线阵地。10月1日，日军越过茹越口、平型关一带之内长城线。侵占大营镇、繁峙等地之后，日军中央统帅部令华北方面军“以一部兵力在山西省北部作战占领太原”；令关东军察哈尔派遣兵团人列华北方面军指挥下。华北方面军于当日夜半，即令关东军察哈尔派遣兵团位于内长城以南之各部队归第5师团长指挥；令第5师团以主力在代县集结，准备攻占太原。6日，华北方面军命令沿平汉路南侵的第1军在适当时机攻占石家庄，并以一部兵力进入井陉以西的要地，切断中国军队在山西方面的交通，以策应第5师团的作战。同时命令第5师团向太原前进，攻占太原。
内长城防线被日军突破，太原形势危急。国民政府军事委员会为挽回危局，决定转用平汉路兵力，巩固山西防御。10月1日，急令第14集团军总司令卫立煌率第9、第14军及第85师、独立第5旅等部，由石家庄经正太路转赴晋北增援。第二战区司令长官阎锡山为扭转晋北作战的败局，决定缩短战线，将兵力集中于宁武、代县、原平一带，利用忻口要隘与日军决战，保卫太原，判断日军将以主力由大营，繁峙，以一部由大同、雁门关沿公路进攻，另以一部由阳方口附近实行钳制攻击，据此，第二战区确定的作战方针是：以攻势防御之目的，以主力占领原平、阳方口地区既设阵地线，两翼依托五台及宁武各山脉。将部队编为右、中、左及预备等4个集团军：以策18集团军及第3，第101、新编第2师为右集团军，归第18集团军总司令朱德指挥，在五台山至峨口之线占领阵地；以第14集团军及第15、第17、第19军等部为中央集团军，归第14集团军总司令卫立煌指挥，在蔡家岗、南怀化，大白水一线占领阵地；以第68、第71、第120师及独立第7旅等部为左集团军，归第6集团军总司令杨爱源指挥，在黑峪至阳方口之线占领阵地；第34、第35、第61军及第66师等部为总预备军，归第7集团军总司令傅作义指挥，配置于定襄、忻县地区。决心以主阵地之部队竭力阻止日军进，以第18集团军第115，第120师分由平型关及雁门关施行包抄，截断日军后方联络线，包围日军于原平以北山地而歼灭之。
对于保卫山西的作战，中共中央和中央军委极力关注。中央军委副主席周恩来一直同阎锡山保持着频繁的接触，多次参与一些重要作战计划的研究，以协调共同作战。针对阎锡山把作战地区划分为左、中、右3个地区，以主力用于正面防御的作战计划，周恩来指出：“在中地区，应以小部队钳制当面之敌，而以主力把敌诱到代县、忻口一线，求得侧面出击，加以消灭；右地区的部队要进行广泛的游击，以牵制敌军；左地区兵力较弱，可向宁武南北游击，破坏和阻止敌军的前进计划。”
为了争取忻口和太原作战的胜利，中共中央军委主席毛泽东于10月6日致电参加太原军事会议的周恩来，让他转告国民党军事当局：“敌占石家庄后，将向西面进攻，故龙泉关（应为九龙关）、娘子关两点须集结重兵，实行坚守，以使主力在太原以北取得胜利。”毛泽东判断：进入山西之敌，总数不过两个半师团，为确保晋北占领区，又须分兵守备。因此，到达忻口一带作战者不过1个师团左右。如果我方部署适当，是有可能暂时破坏敌之攻击计划的。并指出，此次战役夫键在于以下3点：1.娘子关，龙泉关之坚守；2.正面忻口地区之守备与出击（出击是主要的）；3.敌后方之破坏。为达上述目的，毛泽东提议：国民政府军事委员会应速派主力军三四个师至娘子关；第14集团军的4个师担任正面出击兵团之主力，晋军以2个师阶助出击，其余担任守备；八路军第115、第120师主力担任从东、西两方破坏敌之侧后纵深地区，袭击忻口至大同、大同至张家口之铁路及代县、广灵至张家口之公路交通线。八路军第129师主力或全部则使用于正大路，发动群众，配合娘子关守军巩固后方。
根据毛汗东的指示，朱德，彭德怀于10月6日、7日，令第115师阶同友军向平型关、大营镇之敌进攻，相机袭取浑源、应县，断绝茹越口、繁峙之间交通；令第120师以主力向岱岳镇（今山阴）以西山地出动，断绝大同与雁门关之间交通，以第358旅主力配合友军夹击宁武以南之敌；令第129师主力进至正太路之寿阳、平定地区，积极钳制与打击西进之敌。
根据中共中央军委和八路军总部的部署、在日军准备向忻口发动进攻时，八路军各部队即向日军侧后展开积极主动的攻击。第115师独立团于10月10日夜攻占涞源县城。第120师第358旅主力于10月8日夜袭宁武县城。该师雁北支队于10月1日袭占朔县以北之井坪镇（今平鲁县城），4月又收复平鲁县城（今平鲁镇）。尔后，又对同蒲路朔县至大同段展开破袭战。10日，在辛庄伏击日军运输队，随即逼近大同。
当日军主力于10月中旬向忻口阵地发动进攻后，八路军即向日军两翼及后方广泛展开游击战。第115师第344旅主力于10月13日至14日在平型关东北小寨村附近，断绝日军交通。15日，截击由灵丘方向驶来的日军汽车130余辆，并击退日军1个大队的数次反扑，迫其退回灵丘。接着，第344旅主力于当日夜袭团城口、尔后又收复平型关及浑源县城。第344旅第688团于15日夜袭沙河镇日军，缴获大批粮袜和军用物资。18日，该团一举攻克繁峙。第115师独立团，骑兵营等部，则向察南、冀西日军展开进攻。5日，独立团于广灵以南之冯家沟设伏，歼灭日军步骑兵100余人，缴获满载军用物资的大车120余辆。16日乘胜收复广灵县城。随后，又收复灵丘、蔚县、易县、浑源、阳原等县城。向冀西挺进之骑兵营等部于18日克复曲阳县城，至29日，又连克平山，唐县、完县等城，严重威胁了日军平汉路北段的交通。经20余天的作战，第115师先后收复县城10座，切断张家口至代县间日军后方交通线。
第120师则向进攻忻口的日军右翼及后方展开广泛游击。第358旅旅部率第715团于10月13日夜向崞县日军进击，一举攻占大牛店。随即于14日乖胜向南北大常、永兴村日军进袭，毙伤日军120余人。第358旅第716团深人日军侧后，打击日军运输队，18日，该团于黑石头沟公路两侧进行伏击，毙伤日军300余人，击毁汽车20余辆。20日夜，又以一部袭占雁门关；另一部破坏广武至太和岭间的公路及桥梁，一度切断雁门关至忻口的交通。第359旅（欠第718团）在日军向忻口阵地发起攻击时，星夜由平山地区进至忻口西北，侧击日军。10月23日，该旅在阳明堡西南之王董堡伏击日军运输队，毁日军汽车7辆。此后。不断袭扰过柱日军，使日军交通运输进一步陷入瘫痪。
由于第115师和第120师的积极作战，使进攻忻口之日军与大同、张家口的交通中断，粮、弹、油料等供应断绝，迫使日军不得不使用飞机来输送给养，卫立煌于10月24日给蒋介石的密电中称：“敌自雁门被切断，粮秣极感困难，现向地方怔发杂粮中，”为此，国民政府军事委员会连电嘉奖。蒋介石亦于10月17日致电朱德、彭德怀：“贵部林师（即第115师）及张旅（即务358旅），屡建奇功，强寇迭遭重创，深堪嘉慰，”
日军在地面攻击受挫，遂由代县西南之阳明堡前线机场出动飞机，加紧对忻口阵地的轰炸。此时，奉命于崞县、代县以东地区侧击日军的八路军第129师先头部队第769团，进至滹沱河南岸苏龙口一带，发现日机不断由北岸的阳明堡机场起落。经周密侦察获悉：阳明堡机场有日机24架，并驻有警卫分队和地勤人员200余人，大部配置于机场北端，机场周围设有铁丝网和简单防御工事。据此，第769团决心夜袭机场。其部署是：以第3营袭击机场；以第1营钳制和阻击哼县的日军；以第2营（欠第7连）为团预备队，并以第8连破坏王董堡的桥梁，保证第3营的侧后安全。团迫击炮连位于滹沱河南岸，准备支援第3营战斗，10月19日夜，第769团各部分别向预定地区开进。第3营顺利偷渡滹沱河后，以1个步兵连警戒阳明堡方向可能来援之敌，以2个步兵连和机枪连组成突击队，以1个步兵连作营预备队。突击队避开日军警卫分队驻守的机场北端，从机场东、西两侧秘密潜入机场。当接近到距日机约30米时，日军哨兵发觉。突击队当即按预定计划发起攻击，一部将口军警卫分队压制于掩蔽部内，并打退其连续反扑；一部迅速扑向飞机群，先以猛烈火力突击，尔后以集束手榴弹塞进机舱，飞机爆炸起火。突击队与日军警卫分队白刃格斗，经1小时激战，歼敌100余人，毁伤日机24架，八路军伤亡30亲人，营长赵崇德光荣殉国。这一战斗的胜利，削弱了忻口当面日军的空中突击力量，打击了日军的空中运输，有力地配合了友军作战。
八路军各部队的积极作战，切断了日军的后方运输线，削弱了日军的进攻力量，大大减轻了国民党军正面防御的压力，起到了暂时稳定晋北战局的作用。
10月中旬，沿平汉铁路进攻的日军已占领石家庄、邯郸等地，控制了河北大部地区。而进攻山西实施右翼迂回的日军第5师团和关东军察哈尔派遣兵团主力，由于遭到八路军和第二战区部队的有力阻击，尚停滞于忻口一线，于是，日华北方面军决定转移兵力，以夺取山西为主要战略目标，令第20、第109师团由平汉路之石家庄和高邑附近转向正太路及其南侧西进，迂回忻口，太原侧后，企图配合其忻口正面进攻的部队，夺取太原。国民政府军事委员会为确保山西，使晋北作战无后顾之忧。在抽调第14集团军转用于晋北作战之后，又命令第一战区第26路军、第27路军、第3军及第17师等部转用于娘子关南北之线，以掩护第二战区之右侧。八路军总部命令第129师向进攻娘子关的日军之侧后挺进，寻机歼敌，配合友军阻止日军西进。
遵照八路军总部命令，第129师于10月18日抵达平定以东。20日至24日，先后在长生口，东石门、马山村等处，以袭击、伏击、阻击等手段，打击进犯日军。此后，为阻击和牵制由井陉沿正太路南侧西进之日军第20师团左翼纵队，第129师主力迅速进至测鱼镇以西的七亘村地区。10月25日，日军第20师团主力一部经测鱼镇向平定迸犯，其后方辎重部队1000余人进至测鱼镇宿营。第129师师长刘伯承判断日军辎重部队必然尾其先头部队经七亘村西进，遂决心以第386旅第772团一部于日军必经之地七亘村，利用高山狭谷、道路曲折的有利地形设伏，歼灭日军辎重部队。第386旅旅长陈赓令第772团第3营在七亘村至甲南峪间地区设伏。26日9时许，日军进入伏击区。第3营放过其前卫部队，向其车队突然发起攻击，经2小时激战，毙日军300余人，缴获骡马300余匹及大批军用物资。其余日军退回测鱼镇。第129师首长判断日军先头部队急需补给，退回测鱼镇之辎重部队，因无他路可走，必再经七亘村前送粮弹。同时，日军可能根据“兵无常势”的一般原则，以为八路军不会再于七亘村设伏。因此，只要注意隐蔽伪装，继续在七亘村实行“待伏”，仍可收出敌不意的效果。据此，令第772团再次于七亘村附近设伏。28日，日军果然以步骑兵400余人掩护辎重部队经七亘村西进，并加强了搜索警戒。11时许，当日军进至七亘村至改道庙之间时，第772团突然发起攻击，战至黄昏，歼敌100余人，缴获骡马数十匹。日军被迫再次退回测鱼镇。七亘村两次伏击战。第772团仅以伤亡30亲人的代价，取得歼灭日军400余人的胜利。
由于国民党军事当局未按毛泽东的建议预置重兵加强娘子关，九龙关的防御，直至日军逼近后，才调部队进至娘子关，仓促组织防御，未能有效地阻止日军的进攻，26日，放弃娘子关，向西南撤退。30日，日军占领阳泉、平定后，沿正太路及其南侧大道向太原、榆次继续进攻，晋东战局急转直下。
为了打击进犯日军，阻止和迟滞日军西进行动，八路军总部于10月28日率第115师师部及第343旅，由五台地区南下进至寿阳以南地区，统一指挥第129师及第115师主力，向沿正太路西进之日军展开连续的作战。
此时，日军第109师团正经九龙关向昔阳进犯，为打击该敌，迟滞其西迸，第129师第386旅在师长刘伯承、旅长陈赓指挥下，于10月31日进至昔阳以东地区。11月2日，日军第109师团第136联队1个大队，由东冶头镇经黄崖底向昔阳迸犯。第129师首长决心在黄崖底利用两侧高地，采取诱伏手段歼灭该敌。其部署是：以第386旅第771团于黄崖底以南之风居村占领阵地，并派出小分队与敌接触，诱敌至黄崖底歼灭之；第772团隐蔽集结于黄崖底以东之巩家村待机，准备协同第771团歼灭该敌。当日7时，日军经南界都进至黄崖底。第771团派出小分队与敌接触后，节节抵抗，退至风居村西北高地扼守。日军屡攻不逞，遂撤到黄崖底河滩隼结休息。第386旅抓住这一有利时机，集中轻重机枪及迫击炮，突然向日军实施火力急袭。日军顿时混乱，1小时后，才集中500余人向第772团阵地连续进行反扑，但被击退。日军乃退守黄崖底村，固守待援。第386旅为避免过大伤亡，主动撤出战斗。此次战斗，第386旅共毙敌300余人，战马300余匹，自己仅伤亡30余人。
为继续阻击和迟滞西进日军，打破其由平定、昔阳迂回榆次、太原侧后的企图，八路军总部令第115、第129师主力于昔阳以西地区积极打击日军。10月30日，第115师主力进至昔阳以西之沾尚地区，待机歼灭由平定、昔阳西犯之敌。11月2日，日军第20师团第40旅团先头第79联队主力逼近马道岭。第343旅在旅长陈光指挥下，以第686团第2营在马道岭一带节节抗击，迟滞与疲惫日军，以掩护旅主力完成伏击部署。第343旅抓紧时机，迅速占领广阳及其以东道路南侧的有利地形，完成一翼伏击的作战部署：以第686团占领广阳镇南之瑶村，前小寒以北高地，担负主要攻击；以第685团第3营由狼窝沟北山出击，协同第686团歼灭进入伏击地区之敌。4月13日，日军第20师团先头2个联队通过广阳进至塔松镇，而其辎重部队则正处于伏击地区内。第115师避强击弱，放过其先头主力，对其辎重部队突然发起攻击，将日军分割成数段。经4小时激战，将进入伏击地区的日军全部歼灭，共毙敌1000余人，缴获骡马700余匹、步枪300余支及大批军需物资。第115师伤亡200余人。日军遭此打击，不敢贸然西进，已进至松塔的2个联队被迫返回广阳。
7日，第129师第386旅及第769团，又于广阳以东之户封村地区设伏。11时许，当由沾尚镇西进日军进入伏击区时，八路军突然发起攻击，经1小时激战，歼灭日军250余人。
八路军在正太路南侧地区连续作战，有力地钳制了日军第20、第109师团经娘子关和九龙关的西进，特别是在广阳附近进行的两次伏击战，予日军以严重打击，迫使其改道由广阳以北之上，下龙泉西犯，迟滞日军行动达1周之久，从而掩护了防守娘子关地区之国民党军的撤退。娘子关失守后，日军迅速占领寿阳、榆次。防守忻口一线的国民党军侧后受到威胁，遂全线向晋西南撤退，11月8日，太原失陷。
八路军自1937年8月下旬出师华北至太原失陷期间，在中共中央、中央军委的正确领导下，坚决执行全面全民族的抗战路线和独立自主的山地游击战的战略方针，在日军翼侧和后方广泛开展游击战和有利条件下的运动战，采取袭击、伏击、截击等战术手段，在战役、战斗上直接配合了国民党军作战，先后取得100余次战役、战斗的胜利，歼灭日军1.1万余人，毁伤日机24架，击毁日军汽车400余辆，缴获步马枪1500余支、轻重机枪76挺、骡马2000余匹及其他大批军用物资，收复10余座县城和广大乡村，给日军以沉重的打击，挫败其夺取山西，实行右翼迂回，威胁平汉路国民党军侧背的企图，有力地支援了友军作战。