在敵後行動。
14日，協同第7旅收複甯武；15日，收複廣靈；19日，襲擊陽明堡日軍機場，有力地支援了正面防守部隊的作戰。
21日以後，日軍士氣及戰鬥力逐漸下降，無力發動全面進攻，僅能實施局部攻擊，自27日起，又采用近迫作業及坑道向中國軍隊的陣地逼進，均被擊退；中國軍隊連續作戰，損失甚巨，又未能适時補充，亦無力發動大規模的攻擊，僅能進行局部反擊，雙方形成對峙。
由于日軍第5師團不斷要求增援，華北方面軍于28，29日，由警備平津地區之第109師團第136聯隊抽調兩個步兵大隊，從察哈爾派遣兵團獨立混成第1旅抽調1個機械化步兵聯隊，增援第5師團。
30日，第5師團向靈山及官莊南側高地發起攻擊，激戰三日，仍無進展。
11月1日，正太線方面戰況吃緊，忻口地區軍隊奉閻錫山之命，于2日夜開始向太原北方青龍鎮東西之線撤退。
忻口會戰結束。
日軍第1軍于10月10日占領石家莊後，即令第20師團之一部沿正太線進入晉東，以策應第5師團晉北的作戰。
當時，沿正太線防守的軍隊為馮欽哉的第27路軍及曾鐘萬的第3軍。
12日，日軍攻占井陉；13日，攻占舊關。
14日，孫連仲之第26路軍增援到達，堅守娘子關，并多次組織反擊、一度奪回舊關，阻止了日軍的攻勢。
日第5師團在忻口地區進攻受阻，第1軍遂于21日将第20師團主力投入正太線作戰。
第二戰區亦将孫震的第41軍增援正太線。
日軍在飛機、大炮支援下，多次猛攻，均未奏效，仍被阻于娘子關前。
激戰至25日，第26路軍僅餘5000餘人。
26日，娘子關失守。
守軍節節抵抗，至31日、26路軍第30師僅剩六七百人，第3軍僅剩2000餘人，第41軍及第27路軍皆潰不成軍，失去掌握。
11月2日，日軍攻占壽陽、昔陽；4日，擊退第26路軍之800多人抵抗後，攻陷榆次，迫近太原。
5日，日軍第5師團攻占陽曲；6日，到達太原北郊。
7日，日軍第20師團亦到達城郊，太原陷于被包圍狀态。
8日，日軍發起總攻。
當夜，城防司令傅作義車部突圍，向晉南轉移，太原失守。
此後，華北正面戰場作戰基本結束。
日軍侵占平津後，中國統帥部确定平漢路方向的第一戰區為主戰場，并決心以重兵防守山西戰略要地，威脅由平漢路南進日軍主力之側背。
這一戰略決策是完全正确的，忻口會戰及平型關、娘子關等地之作戰，作戰指尋多有不妥：與敵人進行廣正面的線式陣地防禦戰，處處設防，兵力分散，并缺乏有力的統一指揮和有機的相互協同，形成此打彼看，互不呼應；敵人主攻方向上戰鬥激烈，但兵力不足，而沒有敵人進攻的方向上卻兵力空置，作壁上觀，以緻主要防禦方向上的部隊傷亡慘重。
但是，這些作戰行動遲滞日軍沿平漢路南下兩個月的時間，有利于持久抗戰。