以第十四集团军、第九军、第十五军、第十七军、第十九军等部为中央集团军，归第十四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；
以第六十八师、第七十一师、第一二O师及独立第7旅等部为左集团军，归第六集团军总司令杨爱源指挥，在黑峪至阳方口之线占领阵地；
以第三十四军、第三十五军、第六十一军及第六十六师等部为总预备军，归第七集团军总司令傅作义指挥，配置于定襄、忻县地区。
晋北5万余日军在其山西最高指挥官第五师团长板垣征四郎率领下气势汹汹向忻口扑来。
毛泽东和周恩来一直密切关注着忻口会战。中共中央军事委员会专门为此召开会议。10月6日，毛泽东从延安致电第二战区，提出了自已的建议。
1．速派主力3至4个师至娘子关；
2．第十四集团军的四个师担任正面出击兵团之主力，晋军以两个师协助出击，其余担任守备；
3．八路军第一一五师、第一二O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。八路军第一二九师主力或全部侧使用于正太路，发动群众配合娘子关守军，巩固后路。
阎锡山获得此电，久久地注视着电文中这几项提议。心里暗暗在想，毛泽东的军事指挥才能果然不同凡响。远在千里之遥，却对这里的战场感觉如此敏锐而到位。
忻口位于太原以北，居忻县、崞县、定襄县三县之交，东托五台山，西倚云中山，滹沱河清澈的流水从两山之间穿流而过，同蒲铁路和一条公路沿河岸纵贯南北。自古以来忻口就成为兵家必争之地。
10月3日，日军第五师团浩浩荡荡从集结地出发，拥有坦克、装甲车和精良的武器装备，空中有飞机配合作战。
师团长板垣征四郎，手倚指挥刀，傲然地站立在一辆装甲车上，看着一队一队走过的属于他统领的士兵，脸上凝固着一种僵硬和冷然，眼睛中闪烁着黑色火焰。
忻口会战开始了。
第二战区第十九军防守崞县，凭借着有利地形，对日本军队的猛力进攻进行了奋力抗击。
5、6两日，日军集中炮火对崞县中国守军猛烈轰击，阵地被毁殆尽。7日，日军围攻崞县的人数增至6千人。日军志在必得。日军以飞机20余架、野重炮30余门对县城狂轰滥炸达6小时。
中国守军伤亡惨重，阵地被炸得毁灭殆尽。日军攻入城内，中国守军奋勇夹击，与日军展开了巷战肉搏。十九军各高级军官亦率部亲自参加阻击，但日军有增无减，源源不断进城内。8日崞县陷落。
原平镇中国守军仅有1个旅，但官兵士气旺盛，誓与阵地共存亡。6日，日军以飞机、战车掩护数倍于我之兵力猛攻。中国守军拼死抵抗，屡挫敌锋。双方死伤甚众。旅长姜玉贞亲自督战牺牲，官兵全部战死，原平镇遂陷于敌手。
崞县、原平失守后，忻口处于日本军队的直接攻击之下。
板垣征四郎企图一举攻占忻口，直逼太原。10月13日，他开始向忻口阵地发起攻击。
日军集中5000余人兵力，在飞机30余架、坦克50余辆、野战炮50余门的配合下，采取中间突破的战法，向中国守军阵地发起猛攻，守军伤亡重大，日军乘机渡河，突破南怀化阵地。
卫立煌增调兵力夹击突入之日军。这是一场生死战。中国军队激战终日，毙伤日军3000余人，击毁坦克22辆，终于恢复了南怀化东南阵地。
13日夜，中国军队向日军实施反击，力图围歼突入之敌。战斗呈白热化。中国守军连续打退日军4次冲锋。经过一天激战，南怀化阵地又为日军攻占。
卫立煌鉴于南怀化为全线关键，关系到忻口战役的全局，遂决定集中5个旅的兵力，歼灭南怀化日军。
阎锡山恐兵力不足，即电令朱德总司令，指挥所属部队截断敌后交通，以阻敌续增。
于是，八路军向日军两翼及后方广泛展开了游击战，大大减轻了中国军队正面防御的压力。
16日2时，南怀化阵地反击战打响。第九军军长郝梦龄率部向占领南怀化的日军发起英勇反击，阵地得而复失，失而复得，战斗之激烈难以想象。经昼夜激战，占领南怀化以南之日军，大部被歼。
正当战斗激烈进行的关键时刻，军长郝梦龄中将（牺牲后被追晋为上将）、第五十四师师长刘家琪少将（牺牲后被追晋为中将）、独立第五旅长郑廷珍少将相继中弹阵亡，以身殉国。
郝梦龄原率部驻守贵阳，国难当头，他请缨北上。临行前给妻女立下遗书，决心拼死疆场。
毛泽东在延安1938年3月12日追悼抗敌阵亡将士大会上说道：
“八个月来，陆空两面都做了英勇的奋战，全国实现了伟大的团结，几百万军队与无数人民都加入了火线，其中几十万人就在执行他们的神圣任务中光荣地、壮烈地牺牲了。在这些人中间，许多是国民党人，许多是共产党人，许多是其他党派和无党无派的人……从郝梦龄……刘家琪……诸将领，到每一个战士，无不给了全中国人以崇高伟大的模范。中华民族决不是一群绵羊，而是富于民族自尊心与人类正义心的伟大民族，为了民族自尊与人类正义，为了中国人一定要生存在自己的土地上，决不让日本法西斯不付出重大代价达到其无法无天的目的……郝梦龄将军等的热血是不会白流的，日本强盗之被赶出中国谁能说不是必然的？”
