備軍加入中央軍作戰，并調整部署，将中央軍區分為3個兵團，以劉茂恩指揮第15、第17、第33軍等部為右翼兵團，以郝夢齡指揮第9、第19、第35、第61軍等部為中央兵團，以李默庵指揮第14軍及第66、第71、第85師為左翼兵團，仍以衛立煌為前敵總司令，統一指揮3個兵團作戰。
當日，日軍第5師團在原平集結完畢，決心于13日開始進攻，以混成第15旅團、堤支隊在同蒲路西展開，第5師團主力在同蒲路東展開。
13日拂曉，日軍先以一部兵力向前進陣地實施威力偵察。
8時許，日軍約5000人，在數十輛戰車、30親架飛機和炮火支援下，向中央兵團南懷化陣地攻擊。
10時，陣地摧毀，守軍傷亡殆盡，該陣地失陷，日軍繼續向縱深進攻。
郝夢齡以第21師的2個團實施反擊，至15時，将敵壓制于雲中河畔。
另有日軍約3000人突人左翼兵團閻莊陣地，第10師以反擊将其擊退。
當日，衛立煌與傅作義會商，決定采取攻勢作戰，以總預備軍之一部由中央地區出擊。
閻錫山為使主力作戰便利，令左、右兩翼軍積極向敵後方活動，以破壞其交通，阻止敵增援，并将左翼軍之第68，第71師轉隸中央軍。
14日拂曉前，中國軍隊開始出擊。
第15軍主力将當面之敵壓迫于滹沱河畔靈山腳下；第35軍第218旅攻占石莊，擊退日軍幹餘人連續4次反沖擊，旅長董其武身負重傷，仍堅持指揮；第9軍及新編第4旅、獨立第2旅向南懷化之敵攻擊，适日軍亦增援反擊，擊戰激烈，師長李仙州、旅長于振河負傷，雙方均無進展，對戰至暮；第10師攻占舊練莊，日軍約2000人亦攻占大白水；第83師主力及第85師一部攻擊衛家莊，與敵增援部隊對戰至暮。
當日晚，衛立煌到忻口調整部署：今第61軍軍長陳長捷指揮獨立第2第3旅（欠1個團），新編第4旅及第21師，消滅南懷化之敵；令郝夢齡指揮第54師、獨立第3旅之1個團、第217旅，第218旅，向鐵路正面攻擊。
15日，由鐵路正面出擊的部隊，一度攻占中泥河，後被迫遲回。
進攻南懷仁日軍之部隊，攻占衛家莊及1482高地，壓迫日軍遲據南北莊頭。
16日，衛立煌又投入第68師及獨立第5旅、新編第4旅及第21師，發起攻擊。
第218旅攻占舊河北，進出至南懷化敵軍之後，其他各部亦有進展，殺敵甚多。
值此緊要時刻，中央兵團長郝夢齡、第54師師長劉家麒、獨立第5旅旅長鄭延珍等同時陣亡，部隊損失亦極大，與敵形成僵持狀态，難以擴大戰果。
當日夜，衛立煌決心改取守勢，并請求增援。
閻錫山命第94師及第177師第529旅，由尤泉關至宏道鎮，歸衛立煌指揮，17日至19日，日軍集中兵力不斷發動猛攻，主突方向指向南懷化東北側高地及官莊高地。
經反複肉搏。
終将日軍擊退。
日軍開始向忻口進攻以來，第18集團軍第120師受命