在八路軍給予進攻平型關之日軍第5師團以有力打擊時，日軍關東軍察哈爾派遣兵團于1937年9月27日和28日，先後突破中國第二戰區茹越口、下村内長城防線，直逼繁峙，威脅平型關、雁門關側後，第二戰區部隊遂放棄平型關、雁門關，退守忻口東西一線陣地。
10月1日，日軍越過茹越口、平型關一帶之内長城線。
侵占大營鎮、繁峙等地之後，日軍中央統帥部令華北方面軍“以一部兵力在山西省北部作戰占領太原”；令關東軍察哈爾派遣兵團人列華北方面軍指揮下。
華北方面軍于當日夜半，即令關東軍察哈爾派遣兵團位于内長城以南之各部隊歸第5師團長指揮；令第5師團以主力在代縣集結，準備攻占太原。
6日，華北方面軍命令沿平漢路南侵的第1軍在适當時機攻占石家莊，并以一部兵力進入井陉以西的要地，切斷中國軍隊在山西方面的交通，以策應第5師團的作戰。
同時命令第5師團向太原前進，攻占太原。
内長城防線被日軍突破，太原形勢危急。
國民政府軍事委員會為挽回危局，決定轉用平漢路兵力，鞏固山西防禦。
10月1日，急令第14集團軍總司令衛立煌率第9、第14軍及第85師、獨立第5旅等部，由石家莊經正太路轉赴晉北增援。
第二戰區司令長官閻錫山為扭轉晉北作戰的敗局，決定縮短戰線，将兵力集中于甯武、代縣、原平一帶，利用忻口要隘與日軍決戰，保衛太原，判斷日軍将以主力由大營，繁峙，以一部由大同、雁門關沿公路進攻，另以一部由陽方口附近實行鉗制攻擊，據此，第二戰區确定的作戰方針是：以攻勢防禦之目的，以主力占領原平、陽方口地區既設陣地線，兩翼依托五台及甯武各山脈。
将部隊編為右、中、左及預備等4個集團軍：以策18集團軍及第3，第101、新編第2師為右集團軍，歸第18集團軍總司令朱德指揮，在五台山至峨口之線占領陣地；以第14集團軍及第15、第17、第19軍等部為中央集團軍，歸第14集團軍總司令衛立煌指揮，在蔡家崗、南懷化，大白水一線占領陣地；以第68、第71、第120師及獨立第7旅等部為左集團軍，歸第6集團軍總司令楊愛源指揮，在黑峪至陽方口之線占領陣地；第34、第35、第61軍及第66師等部為總預備軍，歸第7集團軍總司令傅作義指揮，配置于定襄、忻縣地區。
決心以主陣地之部隊竭力阻止日軍進，以第18集團軍第115，第120師分由平型關及雁門關施行包抄，截斷日軍後方聯絡線，包圍日軍于原平以北山地而殲滅之。
對于保衛山西的作戰，中共中央和中央軍委極力關注。
中央軍委副主席周恩來一直同閻錫山保持着頻繁的接觸，多次參與一些重要作戰計劃的研究，以協調共同作戰。
針對閻錫山把作戰地區劃分為左、中、右3個地區，以主力用于正面防禦的作戰計劃，周恩來指出：“在中地區，應以小部隊鉗制當面之敵，而以主力把敵誘到代縣、忻口一線，求得側面出擊，加以消滅；右地區的部隊要進行廣泛的遊擊，以牽制敵軍；左地區兵力較弱，可向甯武南北遊擊，破壞和阻止敵軍的前進計劃。
”
為了争取忻口和太原作戰的勝利，中共中央軍委主席毛澤東于10月6日緻電參加太原軍事會議的周恩來，讓他轉告國民黨軍事當局：“敵占石家莊後，将向西面進攻，故龍泉關（應為九龍關）、