八路军取得平型关大捷之后，日军在9月29日攻克铁角岭和繁峙，切断了平型关中国守军的退路。第二天，中国守军放弃平型关，向代县、雁门关和阳方口转移。
寺内寿一的华北方面军，奉命派一部分兵力在山西省北部作战，并占领太原；关东军奉命调派部队由华北方面军指挥，并为作战提供方便。日军以板垣师团为主力在代县集结。
中国军队决定在太原抵抗日军，共产党和国民党都做了周密的部署。当时，朱德、周恩来和彭德怀都在山西。
阎锡山为了据守太原，决心集中主力在忻口要隘阻挡日军南下。周恩来参加了忻口战役的作战研究，还实际考察战地情况。他提出，正面堵截日军损失必大，不如加强侧面部署，主动出击。阎锡山部分采纳了这些建议。
太原以北的忻口，是一个战略要地。忻县、崞县和定襄在这里交会，东边傍着五台山，西边靠着云中山，沱河与滹河穿流而过，河岸是纵贯南北的同蒲铁路和公路。
国民政府任命第二战区副司令长官卫立煌为前敌总指挥，统率刘茂恩的右翼兵团三个军，郝梦龄的中央兵团四个军，以及李默庵的左翼兵团一个军和四个师，在忻口以北的龙王堂到南峪一线布防。
10月1日，一千多名日军在阳明堡与王靖国第十九军的部队发生激战，攻占了阳明堡。第二天，日军在飞机和大炮配合下进攻崞县。两天后，关东军筱原诚一郎的混成第十五旅团从崞县以西迂回，向原平镇猛攻。
这时，卫立煌的部队从石家庄调来，还没有赶到，从五台山向忻口转移的晋绥军，两天后才能到达，形势异常危急。为了主力部队有充裕的时间集结到忻口与日军决战，第二战区长官部下令死守崞县和原平，等待后续部队到达。日军连续两天用炮火猛轰崞县的守军，王靖国军第四○七团伤亡极为惨重，阵地几乎全被炸毁。
6日，周恩来在太原收到毛泽东的电报，要他转告阎锡山等人：日军占领石家庄后，必向山西进攻，故龙泉关、娘子关两点须集结重兵，以利在太原以北大量歼敌。
7日，围攻崞县的日军增加到五六千人，出动二十多架飞机，动用三十多门野重炮，对县城狂轰滥炸六个小时，摧毁了北城墙，守军第四十一团伤亡殆尽，日军乘机突入。东西城墙守军奋勇夹击，与日军展开巷战肉搏。入夜，守军各级军官率领部队堵击日军，但日军的进攻有增无减，局势无法挽回。第二天，王靖国不得不率余部突围，崞县陷落。
原平镇这边，由姜玉贞的第一九六旅防守。第二战区长官部命令姜玉贞“虽剩一兵一卒，也得在原平死守七天”。他的部队从代县向原平转移途中，日军已在背后追赶了。距原平还有十公里，就与筱原旅团接火，且战且退。
到达原平镇外，姜玉贞命令部队构筑工事，死守铁路和公路。日军很快就发起猛攻。姜玉贞来到前线，指挥部队打退日军多次进攻。姜玉贞旅伤亡日益增多，阵地逐渐缩小，日军形成对原平的包围态势，姜玉贞只得率部退入城内。
第七天到了，日军从城东北角突入，占领城的东半部，与守军隔街相抗。姜玉贞已经完成了任务，但又接到新的命令，要他再守三天。他当即表示：“誓死抗战，无令不离斯土。”
10月8日，崞县失守，大量日军围援原平，攻占了城西北部。这时，姜玉贞的五千人只剩下两三百人，被围困在城东北角。将士们毫无惧色，与日军展开巷战，短兵相接，争夺每一个院落。部队坚持到10日子夜，完成了守城任务。姜玉贞率领余部突围，在城外被日军炮弹击中，以身殉国。
姜玉贞旅与日军血战十天，从旅长以下，几乎全部牺牲。
正面防御战打得激烈的时候，八路军从东、西两面迂回，破坏日军侧后纵深的交通线，使日军前线不能及时得到粮食和弹药，不得不调回相当兵力守备后方。
贺龙率第一二○师深入到大同附近时，发现日军每天从大同不断往前线运送弹药，又往大同拉回伤兵和尸体，异常繁忙。这一来一去，必须经过雁门关。贺龙派贺炳炎和廖汉生率领第七一六团日夜兼程赶向雁门关，寻找机会打击日军。
宋时轮率领雁北支队开拔，趁黑夜赶到平鲁、右干和大同之间的敌占区。贺炳炎团其他部队经过三天急行军，到达雁门关西南几公里处的老窝村。第二天拂晓，部队查探了地形，决定派第一营和第三营分别埋伏在陡坡南北，由第一营派出一个连向阳明堡方向警戒，第三营第十一连埋伏在西面，截断日军后路。全团突然攻击，力求把日军全部消灭在黑石头沟内。
雁门关是山西内长城要隘，也是沟通雁北高原与晋中腹地的门户，为历代戍守要地，民间流传的杨家将故事，就发生在这里。日军和国民党军队几次交战后，自以为这一带中国军队早已败退一空，因此警戒疏忽，横行无忌。
18日拂晓，鸡叫头遍，八路军沿着崎岖的山路，埋伏在黑石头沟附近。天微亮时，日军三百多辆汽车，在步兵队护卫下，朝雁门关鱼贯驶来，这是日军将原平前