日军占领平津后，日本继续向华北增兵，组成“华北方面军”，以寺内寿一为司令官。从1937年8月起，日军在华北分从平（北平）绥（归绥，今呼和浩特）、平汉、津浦三路进攻，决定“迅速对河北省内的中国军队以及中国的空军主力给予打击，随后占据华北要地，以期根本解决华北问题”，“使南京政府在失败感下，不得已而屈服，并由此造成结束战局的机会”。日本华北方面军部署一部兵力从平绥路地区开始作战，席卷察哈尔省，进入山西省北部及绥远地区，集中兵力向保定、沧州一线前进，主决战方面定为平汉线地区。
中国军队对日军在华北的进攻分头予以英勇抗击。中国军事委员会将平汉铁路北段和津浦铁路北段两个作战地区划分为第一战区，晋绥方面为第二战区。蒋介石兼任第一战区司令长官，第二战区司令长官为阎锡山。第一战区划分为左、右两个地区：平汉路北段为左地区，津浦路北段为右地区。左地区由第二集团军总司令刘峙指挥，右地区由第一集团军总司令宋哲元指挥。国民政府军事委员会起初确定：以第一战区河北省为主战场之正面，以第二战区山西省为主战场之侧背。第一战区阻止敌沿津浦、平汉铁路南下，并侧击进攻南口之敌，牵制平津日军不敢冒险南下。以平汉线为防守要点，沿线要点，多线设防，逐次抵抗。固守山西，确保山西天然堡垒。
一 平绥铁路沿线抗日作战
为牵制日军沿平汉路南下，军事委员会调集傅作义（第35军）、汤恩伯（第13军）、高桂滋（第17军）、刘汝明（第68军）等部增强平绥路东段防守，属第二战区，由傅作义任总司令，刘汝明任副总司令，汤恩伯为前敌总指挥，与赵承绶所率骑兵第一军共同担负南口至察哈尔之作战。
8月上旬，日军第5师团（师团长板垣征四郎）和第11混成旅团沿平绥路进攻。
（一）南口战役
8月8日拂晓，日军以炮击和飞机轰炸，开始向南口进攻，12日发起向南口、居庸关总攻。中国守军英勇搏战，战斗异常激烈。日军的攻击难以进展，乃不断增加兵力。日军转攻南口附近的横岭城、黄老院、镇边城等处。守军与日军反复肉搏，阵地反复易手，19日这1天内伤亡1200余人。守军咸抱血战到底决心，拼死支撑，坚守居庸关待援。军事委员会令第14集团军卫立煌部由石家庄附近北进增援，但卫部在门头沟以西山地遭日军堵截。傅作义奉命率师增援南口，但因张家口告急，又率部驰援张垣。
南口战场连日苦战，情势危急。23日，镇边城失陷。日军从镇边城迂回，向怀来突进。南口各点中国守军连日血战，伤亡过半，直至25日仍在与日军拼斗。25日，居庸关失守。26日午后，汤恩伯部奉令突围。26日、27日，怀来、延庆失陷。
（二）张家口沦陷
正当南口鏖战之际，日本关东军“察哈尔派遣兵团”（后称“蒙疆兵团”）由关东军参谋长东条英机担任司令官，向张家口地区发起进攻。
为策应南口作战，第二战区令骑兵第1军（赵承绶）在察哈尔省（今内蒙古东部）向伪蒙军发动攻势。赵承绶部攻克商都、尚义等地，刘汝明部主力攻张北，另一部攻崇礼。
15日，日军猛扑刘汝明部，20日向张家口进攻。神威台守军保安第1旅旅长马玉田阵亡。24日，日军攻占张家口以西孔家庄车站，平绥铁路交通中断。傅作义率部赴援张家口无效，张垣四面受围。26日，刘汝明师撤退。27日，张家口失陷。
（三）大同失陷
日军攻占张家口后，继续沿平绥路西进，9月5日向天镇猛攻。李服膺第61军在天镇、阳高与日军激战。日军包围天镇后，其主力越过天镇向西进攻阳高，李服膺未予坚守。10日，阳高失陷。孤守天镇的第299团经6昼夜苦战，牺牲惨重，于11日突围，天镇失陷。后阎锡山以李服膺违背命令、作战不力、放弃要地，于10月2日予以军法处决。
日军继续南犯，于9月11日向大同进攻。傅作义集团军和王靖国军所部在大同外围的聚乐堡抗击，与日军激战。阎锡山以大同附近地形不利，决心放弃大同。大同于13日失陷。
（四）绥远抗战
日军占领大同后，又进犯绥远省（今内蒙古自治区西部）。此时第二战区兵力主要集中于太原会战，只以骑兵第1军赵承绶部和绥远国民兵5个团负责绥远的抵抗。
先是，9月6日日军攻占尚义县南壕堑。10日，化德失陷。12日，商都失陷。日军分路进犯丰镇。16日，守备丰镇的绥远国民兵与日军激战，伤亡过多，17日丰镇遂陷。19日日军攻陷兴和。时日军进逼宁远（凉城），骑兵第一师（彭毓斌）与日军猛烈对战，凉城24日失守。从21日起，日军向集宁进逼，并向集宁右后方迂回，集宁守军伤亡甚巨。25日，集宁失陷。此役中骑兵伤亡1/3，国民兵团2000多人只余留400-500名。蒙伪军于9月26日占领陶林，30日占领百灵庙。
日军攻占集宁后分3路向绥远省省会归绥进犯，守军伤亡惨重，10月13日归绥失陷。武川同日失陷。21日，蒙伪军攻占固阳。日军占领归绥后，迅速西进，10月17日占领包头。于8月底在大同组建成立的东北挺进军（马占山任司令）各部，在丰镇集结，参加了守卫归绥、包头的战斗。
其后，中国军队在五原、临河一带阻敌西进。为统一指挥，于该方面成立第八战区，朱绍良任司令长官，统辖甘肃、宁夏、绥远三省部队继续抗战。
二 平汉铁路北段抗日作战
日军以进攻平汉路沿线为华北作战“主决战”地区。中国军队集中兵力防卫山西，在平汉路分段防守，刘峙指挥第二集团军节节抵抗。
（一）涿州——保定战役
9月14日，日本华北方面军发起涿州——保定战役，分向固安、马头镇、涿州进攻。15日固安失守，18日涿州失陷。日军急速南进，19日攻陷易县、徐水。
22日，满城失陷。日军从三面包围、猛攻保定城。守军腹背受敌，伤亡过重。第2师师长郑洞国和第47师师长裴昌会亲率所部堵击，终因战局无法挽回，被迫后撤。保定于24日失陷。
日本曾冀望此次涿州-保定会战能挫伤中国的战斗意志，获得结束战局的机会。然而，中国军队虽然损伤较大，但仍继续英勇抵抗，日军的作战企图未能实现。
保定失陷后，9月25日，蒋介石令参谋总长程潜兼代第一战区司令长官，刘峙升任副司令长官。
此时因晋北告急，第一战区的第14集团军（卫立煌）、第26路军（孙连仲）及郝梦龄、曾万钟、冯钦哉、刘茂恩等部转援山西。9月下旬，原第2集团军留平汉线的第32军等部编为第20集团军（商震为总司令），在平汉路作逐次抵抗。
（二）石家庄失陷
日军攻占保定后，28-29日复攻陷定县、新乐，主力继续沿平汉路南下。商震第32军所部进行抗击。10月8日晨起，日军猛攻正定，施放烟幕，后突入城内。宋肯堂师与日军展开巷战后撤离，正定失陷。同日灵寿亦告失守。日军占领正定后，9日强渡滹沱河，向石家庄进犯。其主力沿平汉路正面进逼，一部由灵寿向正太线威胁，另一部由藁城侧击。守军三面受敌，10月10日，石家庄陷于敌手。
（三）冀南豫北抵抗
日军攻占石家庄后，分两路沿平汉路南进。日军在元氏以北遭到守军的激烈抵抗。赵县、柏乡、元氏于12日失陷。日军15日占邢台，17日占邯郸，18日占磁县。
为抗击日军继续南犯，第一战区利用漳河地障阻击日军。第20军团军团长汤恩伯指挥所部抗击日军进攻。20日拂晓，日军由观台东、西保障强渡。关麟徵第52军予以坚强阻止，战况甚为激烈。汤恩伯军团与日军激战，阵地反复争夺，至22日零时，将东西保障之日军大部歼灭。汤恩伯军团24日挺进漳河沿岸，与日军对峙。
11月4日，日军进攻安阳，商震所部以众寡悬殊，5日从城内撤出，安阳遂陷。
为牵制日军在石太路方向的进攻，10月25日，军事委员会电令宋哲元集团军（时已脱离津浦路作战）活动于津浦路与平汉路之间，以主力向石家庄方向反攻。11月6日，宋哲元集团军之冯治安军攻占成安县城。日军由磁县增援，冯治安部与日军激战，攻入城内的部队牺牲。日军进逼大名。11日，守军黄维纲师与日军巷战，血战竟日，当日大名失陷。12日，曾万钟军进至邯郸附近，袭击日军机场。13日，日军攻陷广平、南和后，向广宗、威县进犯。宋哲元集团军转至卫河南岸。
其后，第一战区各部拒敌南犯，各军以营为单位编组游击队，分区袭扰日军。平汉路东南乐、范县、清丰、濮阳等地均有战斗。除正规军外，地方民军亦组织抗日。17日，濮阳行政专员丁树本率民军一团袭占清丰，继派队向南乐游击，12月9日克复南乐。濮阳县长亦率民军于18日收复县城。
迄12月下旬，除卫河右岸稍有战斗外，第一战区大致与日军形成对峙。
三 津浦铁路北段地区作战及山东沦陷
（一）津浦路北段作战
津浦铁路北段沿线地区由第1集团军（宋哲元任总司令）防守。8月间，津浦线北段大雨，遍地水潦，守军的一些阵地浸泡于水中。日军沿铁道，或以汽船沿运河进攻。
8月21日起，日军第10师团（矶谷廉介）开始向津浦路进攻。宋哲元集团军抗击。至9月中旬，静海城、独流镇、唐官屯、马厂、青县、兴济镇相继失陷。津浦路西大城于23日弃守。
9月11日，军事委员会将第一战区衡水、河间、文安以东津浦铁路北段划为第六战区，任冯玉祥为司令长官，鹿钟麟为副，指挥宋哲元第1集团军、庞炳勋军团及吴克仁军作战。宋哲元请假离职后，冯治安代理第1集团军总司令。
9月21日起，日军向姚官屯进攻，庞炳勋部与日军激战4昼夜。22日，第49军刘多荃部参加战斗，与日军激战，损失奇重。24日，姚官屯失陷。日军跟踪南犯，沧县遂告失守。26日，日军攻占冯家口，29日又进占泊头，东光、连镇亦相继失守。
沧县失陷后，25日，冯玉祥奉军事委员会电令，部署于桑园（属今吴桥县）、德县以北反攻。29日，鹿钟麟赴南皮督率各军进攻。30日夜半，各部开始袭击。10月1日，刘多荃军袭占冯家口，庞炳勋军袭击泊头镇，刘多荃军一旅袭占霞口，并跟踪日军向东光方向进袭，因何基沣师、石友三师先两日向南撤退百余里，袭击泊头未能奏效。
9月29日，日军攻占桑园。此时第3集团军总司令韩复榘军展书堂师之一旅到达德县，向日军进袭，一度克复桑园。然日军后续部队到达，发动反攻。展书堂师撤回德县。3日，日军向德县进犯。至5日上午，城垣被毁多处。运其昌旅长率部激战，其第485团几乎全部殉国。德县被日军侵陷。第3集团军退至老黄河右岸布防。
10月20日，第六战区撤销。从此津浦路沿线之作战由第五战区（司令长官李宗仁）负责指挥。宋哲元集团军复划归第一战区。
（二）山东沦陷
10月下旬至11月上旬，军事委员会几次电令韩复榘攻德县，出沧县，告以：若能恢复德县，则对我国在国际上的活动（指布鲁塞尔九国公约会议）更为有利。但韩复榘借口兵力不足拖延，推进迟缓。
11月上旬，日军向陵县、临邑进攻，同时自沧县经盐山南进。自8日起，曹福林师在临邑与日军英勇搏战，直至13日，该部奉韩复榘令南撤，临邑失陷。
日军于11月10日攻陷无棣、阳信、庆云。11日惠民失守。12日日军攻陷高唐、夏津。济阳于13日失陷。14日禹城失陷。15日日军进占济南黄河对岸鹊山。韩复榘将所部撤退黄河南岸，炸毁黄河铁桥，与日军夹河对峙。
山东半岛烟台守军于11月18日全部向西撤退，烟台为日军占领。
12月23日20时，日军分别于距济南东北约60公里济阳、青城间的曲堤、王判两地偷渡黄河，并南下进犯济南。韩复榘于24日夜弃守济南，移驻泰安。27日，济南失陷。12月31日，泰安弃守。1938年1月1日，日军占肥城、泰安，4日攻陷曲阜、兖州，6日占邹县。另一股日军于1937年12月30日攻占博山，1938年1月4日攻占蒙阴。
韩复榘于1938年1月5日由济宁移驻巨野后，第五战区司令长官李宗仁曾要求韩固守济宁、汶上，但韩接电后其所部仍向鲁西南城武、曹县转移。11日，济宁不守。韩复榘由巨野移驻曹县。第3集团军退居鲁西一隅，山东省各战略要地丧失殆尽。
原守卫青岛的第51军（于学忠）于1937年12月25日被调防徐州，青岛市区仅由海军第3舰队陆战队和青岛市保安队防守。军事委员会预先电示青岛市长沈鸿烈，必要时得相机行动。12月29日，沈鸿烈率所部向诸城、莒县、沂水撤退。31日，青岛市警察部队奉命撤出，胶东遂告放弃。1938年1月10日，日本海军占领了青岛。
四 太原会战
日军以山西为华北战略重地，为给予中国军队以决定性的打击，决心进攻山西，攻占太原。中国统帅部决心保卫山西，从平汉线调集兵力加强山西战场，以行持久抵抗。大同失陷后，遂进行太原会战。
9月13日，日军关东军察哈尔派遣兵团攻占大同，破开了晋北大门。接着，怀仁于14日失陷。日军继续南下，占领岱岳（今山阴县）、应县，向西攻陷左云、右玉。
另一路日军板垣师团于9月11日侵占察南蔚县，向广灵进攻。广灵守军刘奉滨师与日军激战，伤亡甚重。13日，第423团团长吕超俊阵亡。14日，汤恩伯军奉阎锡山令，弃守广灵。15日，坚守广灵南阵地的刘奉滨师长负伤。从广灵经乱岭关西进的日军于16日攻占浑源。20日，日军攻占灵丘，控制了涞源——灵丘——大营镇大道。
（一）平型关战役
9月19日，日军分由浑源、应县南向，在攻击凌云口和茹越口各附近阵地的同时，并向灵丘——平型关方向进犯。
阎锡山尽撤雁北各作战军于雁门关以南，守御内长城平型关——雁门关——神池一线，东向平型关方面，与侵入灵丘方向之日军板垣师团主力进行会战。
9月22日起，日军进犯平型关，从蔡家峪进攻，猛攻平型关左翼高地团城口、东西跑池等地。高桂滋军、刘奉滨师英勇抵抗。24日，高桂滋部伤亡达千余人，团城口弃守。25日，守军各部出击。是日中午，八路军第115师（林彪）在蔡家峪、小寨——关沟村山沟伏击由灵丘开往平型关的日军板垣师团辎重部队，英勇作战，歼敌数百人，缴获大车70辆、汽车75辆和大量军用物资，将蔡家峪、小寨村占领，截断平型关至灵丘间的交通。第115师平型关伏击日军的胜利，是八路军出师山西后首次获捷，鼓舞了抗日军心。
日军板垣师团从浑源、灵丘增援。阎锡山决心在平型关与日军决战，令陈长捷新组成的第61军向平型关增援，由傅作义负平型关指挥全责。陈长捷军梁春溥旅27日驰赴涧头、迷回，解救被日军围困的郭宗汾部，乘势攻夺鹞子涧、团城口，救出郭宗汾部独立第1旅（陈庆华）。郭宗汾师、孟宪吉旅于28日拂晓在平型关反攻，郭宗汾师所部攻占鹞子涧，梁春溥旅程继贤团攻迷回，夜攻鹞子涧。因突入太深，程继贤团被日军包围夹击，全团力战，仅数十人突围，团长程继贤及全团官兵均壮烈殉国。郭宗汾师与陈长捷军从团城口出击后，与日军遭遇于山隘内，阵地争夺全恃肉搏。
中国军队的英勇抵抗，使日军在平型关方面始终不能进展。日军自26日开始重点向茹越口进攻。27日，日军猛攻茹越口，守军杨澄源军之梁鉴堂旅坚定抵抗并出击，连续搏战3天，损失惨重，茹越口阵地失而复得者三四次。28日，旅长梁鉴堂奋勇督战阵亡，所部一个团伤亡2/3，另一团伤亡一半以上，茹越口陷落。守军退守繁峙以北的铁角岭（一作“铁甲岭”）。日军继攻铁角岭。方克猷旅虽奋勇阻击，终因寡不敌众，铁角岭于29日陷落。
9月28日，日军攻占平鲁、朔县。朔县守城部队誓死抵抗，激战竟日，城陷，官兵700多人殉国。日军屠城，城内官绅、民众被杀者3000以上。
日军攻占铁角岭后乘势南下，30日侵占繁峙，切断平型关后路。阎锡山担心后退之路被截，决定晋北全线撤退，集中主力于石岭关以北的忻口地区，保卫太原。9月30日，第二战区部队向神堂堡、雁门关、阳方口之线转移，日军则跟随追击。
（二）忻口战役
第二战区选定在忻口与日军决战。阎锡山部署：右集团军，由第18集团军朱德总司令指挥；中央集团军，由第14集团军总司令卫立煌指挥；左集团军，由第6集团军总司令杨爱源指挥；以第7集团军总司令傅作义指挥总预备军。10月1日，蒋介石电令第一战区司令长官程潜，转令卫立煌率所部第14军（李默庵）、第9军（郝梦龄）、第85师（陈铁）、独立第5旅（郑廷珍）等部由石家庄从铁道星夜运往太原以北增援。
10月1-3日，日军开始进攻崞县。日机10余架不断轰炸县城，骑兵、装甲车、重炮掩护步兵千余人猛攻。守军王靖国军所部沉着应战，日军未得逞，其大部兵力越过崞县径趋原平，守军姜玉贞旅击退日军进攻。6日拂晓，谷树枫团与日军肉搏格斗，极惨烈。是日，日军又猛攻崞县。7日，日军一部突入崞县城内，守军反击。8日，日军猛炸，城垣被毁。守军在街巷反复冲锋，与日军肉搏，伤亡惨重。团长刘良相、石焕然壮烈牺牲。王靖国军连续苦战8日，伤亡极众，不得已而放弃崞县城。
日军8日占领崞县后再攻原平。守军与日军血刃苦战，每一家屋之侵占，均使日军付出极大代价，最后仅留3院，犹与日军死拼。激战9昼夜，该旅官兵牺牲殆尽。旅长姜玉贞于此役成仁。11日，原平失陷。
日军进攻崞县、原平的同时，并进攻晋北左翼阵地阳方口、宁武。独立第7旅马延守部在宁武与日军奋战5昼夜。日军攻占宁武。日军续攻轩岗，马旅苦战死守。
日军攻陷原平后，向忻口进犯。12日，中央集团军于忻口北龙王堂、界河铺、大白水、南峪之线与日军激战。卫立煌在第14集团军到达忻口附近后，会合第二战区各部，将兵力分为3个兵团，以刘茂恩指挥右翼兵团，郝梦龄指挥中央兵团，李默庵指挥左翼兵团。
13日起，日军向中央兵团南怀化阵地、左翼兵团阎庄阵地猛烈攻击，守军拼死坚守，与敌肉搏，阵地失而复得数次。团长曾宪邦饮弹殉国，连长以下官兵伤亡殆尽。当日，刘家麒师的南怀化阵地被突破，李仙洲师增援，血战至14日晨，山头失而复得，数次夺回。
14日，忻口守军开始出击，战况空前激烈。形势先对中国军队有利，但中午李仙洲师长、新编第4旅旅长于振河相继负伤，日军大批飞机、战车、大炮支援攻击，致南怀化又陷敌手。15日、16日，南怀化附近和左翼大白水等阵地，李仙洲、郝梦龄、陈长捷各军与日军主力激烈搏战。16日，第9军军长郝梦龄、第54师师长刘家麒、独立第5旅旅长郑廷珍等在忻口山地督率所部与日军激战时阵亡，第218旅旅长董其武负伤。卫立煌指派陈长捷统一指挥中央兵团各部队作战。忻口守军冒着飞机轰炸、炮火射击，向日军的攻击顽强逆袭。
17日后，忻口守军与日军在南怀化、大白水等处阵地继续鏖战，拼战肉搏，从未停息。20日，日军向中央地区官村一带阵地施放催泪性毒气。连日激战，日军总攻7次未逞。日本战史承认：忻口战役自13日开始攻击，“战况没有进展，始终陷于胶着状态”。日军从平津抽调兵力支援，萱岛高联队抵达后24日再发起攻击，突破了守军阵地几个缺口，但27日以后战况又形胶着。
日军久攻无进展，乃采取坑道作业，向守军阵地掘进，炸毁防御工事。11月2日，日军续行炮、空猛烈轰击，步兵猛攻。守军官兵以手榴弹及白刃迎击，肉搏至烈。正面阵线孔繁瀛师陈荣修团及许中权师杨觉天旅在官村西南阵地的守兵伤亡殆尽，阵地被陷。此际晋东战局不利，日军已逼近太原东南的榆次。卫立煌奉阎锡山令，令忻口守军转进太原，忻口遂陷日军手中。忻口之战，中国军队伤亡及半，但阻滞了日军前进。
（三）娘子关战役
晋北忻口战役激烈之际，晋东正（定）太（原）路战线亦紧张地抵抗日军的进攻。
10月8日，军事委员会任命黄绍竑为第二战区副司令长官，负责指挥正太路一线战斗。10日，阎锡山派黄赴任。黄于11日到达井陉指挥。
日军于10月11日开始攻击井陉附近阵地。另一股日军于12日向长生口迂回，攻陷长生口、井陉，由井陉南突破守军赵寿山师阵地，13日攻占旧关。
从13日夜起，赵寿山师、曾万钟军（第3军）、冯安邦师等部连日多次反攻旧关，而日军全力反击，战斗异常激烈。冯安邦师黄樵松旅派一部绕袭核桃园，向关沟夹击，协同曾万钟军围攻旧关。15日，曾万钟军唐淮源师3次强袭旧关，并攻入核桃园。但16日拂晓，日军炮火猛烈射击，致唐师无法固守。
因娘子关危急，阎锡山令援晋之孙连仲部回援娘子关，参加防守正太路的战斗。15日起，正太路战事由孙连仲负责指挥。16日起，第38军教导团（李振西）、赵寿山师、孙连仲军张金照师、曾万钟军唐淮源师和第7师（曾万钟兼师长）等部，三次向旧关反攻，在旧关、核桃园、乏驴岭、南北峪、大小龙窝等处与日军浴血搏战，阵地反复争夺，经6昼夜激战，虽歼灭大量日军，但攻占旧关之日军死守不退。各部伤亡奇重，至19日，伤亡达5000人，其中第38军李振西教导团伤亡2000多人，几乎全团殉国。
娘子关日军增多，日军以飞机大炮协同步兵全力猛攻，守军伤亡过重，阵地多被突破。22日拂晓，日军猛攻南峪东南第27师（冯安邦）之千米高地，守兵几乎全部殉国。日军进逼地都，第9旅伤亡殆尽。守军被迫后移。日军另以4个联队编组“昔阳支队”，从娘子关以南向西突进。10月21日，其先头从正太路横口车站南下，到达测鱼镇。该支队沿赞皇——九龙关——昔阳大道进攻。阎锡山急令新到山西的川军第22集团军（邓锡侯）加入平定、阳泉方面作战。
后续日军截断平定——阳泉道路。娘子关正面警戒部队亦被日军击破。
日军正太线进攻部队虽攻占守军一些阵地，但日本战史承认：旧关附近阵地坚固，中国军队“抵抗很顽强”，日军右纵队到10月26日也没有突破守军阵地。其左纵队至26日占领柏木井，才进入娘子关及旧关方面中国军队背后。正太路守军因久战疲惫，牺牲很重，于26日西移，娘子关被迫弃守。
日军于10月29日攻占平定，30日占阳泉。
27日，军事委员会曾电令第一战区向石家庄、娘子关攻击，牵制敌军，以解晋东之危。11月1日，蒋介石电令第一战区，命汤恩伯部迅即转向晋东。但缓不济急，正太线战局已不可挽救。11月2日，寿阳失陷。同日，日军“昔阳支队”攻占昔阳。晋东正面战线各军分向太原、榆次方向退却。
（四）太原保卫战
自中国军队从忻口阵地后撤，日军跟踪追击，11月4日突破关城镇，5日进占阳曲。同日，晋东日军已占领榆次，6日进至太原南小店镇。太原已处于日军包围中。
11月3日，阎锡山委任卫立煌为第二战区前敌总司令，傅作义为太原守备司令。4日，山西省政府以太原受敌威胁，将所属各机关迁移至临汾办公。
从忻口、娘子关战场撤退的部队均伤亡很重，疲敝非常，太原周围的防卫作战未能按计划进行。7日，自晋东西进的日军与由晋北而来的日军会合，太原城东、西、北三面被日军包围。守城部队依城与日军野战竟日后，被迫撤入城内。傅作义部在城内凭坚固工事孤守。8日，太原北城墙被日军炮击，摧毁数处，日军由破口冲入。傅部与日军激烈巷战，日机空降兵士于城内。守军与日军激战竟日。当晚傅作义率部从大南门冲出，向西山突围。9日，太原遂陷。
榆次失陷后，11月5日，援晋的汤恩伯军主力经武乡秘密向榆社集结，阻击沿同蒲路南侵之日军。11月7日，日军攻陷太谷城，9日攻占清源、祁县、交城，12日占领平遥。后日军北移，25日，太谷、平遥、介休等县的日军撤退。第二战区乘机收复介休、汾阳等地，并向祁县、文水、太谷推进。