1937年10月5日，日军越长城而下，猛攻忻口北的崞县。
忻口为太原平原的北大门，忻口而南，太原即无险可守。
忻县、忻口据传因汉朝的第一个皇帝刘邦，被匈奴围于平城(今大同)40日，脱险后回师驻跸该地，“将士忻然”而得名，现在则硝烟弥漫，成了华北战场最吃紧的地方。
从平津失陷以来，蒋介石声言会攻张北而张垣旋失；阎锡山部署大同决战而大同撤守。9月中，蒋介石下令决战保定、固守晋北，保定又不战而陷，晋北亦告不守。此时，正如毛泽东所分析的：“河北局面已经完结了”。山西战场成为华北正面抵抗的最后一局。蒋、阎都到了不得不尽力打一仗来支持华北的关头。毛泽东指示朱德、彭德怀，要求蒋介石调第一战区(河北、山东）的黄绍竑、卫立煌率军入晋，支持晋局。一向怕蒋介石染指山西的阎锡山，也连连十万火急，致电蒋介石，要求马上增兵援晋。10月4日，蒋介石急令其嫡系14军之卫立煌，率四个半师由平汉前线赶赴忻口。卫立煌虽曾阻敌平汉路受挫，此时倒并无惧敌之意。蒋介石的嫡系精锐部队，装备又不同一般。士兵头戴钢盔，部队轻重机枪齐全，还有高射炮和反坦克平射炮。阎锡山大喜，立请周恩来、卫立煌会商。决定以50个团守忻口中央阵地；以10个团为右翼，归朱、彭指挥；以7个团为左翼，归杨爱源(晋绥)指挥，实行侧击；由卫立煌任忻口前敌总指挥。阎自己则坐镇太原。
10月6日黎明时分，在搏动着中国共产党心脏的延安凤凰山脚，毛泽东坐在窗前，尚未就寝。忻口战役即将开始，他经过一夜熟虑，提笔拟电同意前方总部积极出击，配合阎、卫正面阵地作战的意见。毛泽东提出以115师主力北越长城，从东线分兵袭击代县——大同、代县——张家口的汽车线，及大同——张家口的铁路线。与120师主力在西线之行动配合，以阻止日军向山西正面之进攻。他估计：如此，则115师“因转移与作战频繁，要准备付出相当代价，即准备减员2000至2500人，并因减员而不得不将枪支一小部分交给地方民众，武装他们。但在支持山西作战，即用以支持华北作战较长久之战略目的，却有很大意义……”
毛泽东刚搁笔，秘书又送来前方急电，毛泽东仔细阅过，重新蘸笔在原起草的电文上加写道：“此电写完，接朱、彭本日六时电，我们意见已根本一致，但不知林、聂尚有不同意见否?”
军情如火。毛泽东刚待休息，朱、彭再电毛泽东并周恩来：“完全同意你们积极作战方针”，“我们只有战术上的意见”。
如果说，毛泽东在平型关战斗前给彭德怀和给周、朱、彭、任的几封电报中，对前方在执行作战方针上还不很放心；有时，看法还有歧异的话，此时，“意见已根本一致”。毛泽东凝神闭目，略憩片刻，面对晨曦，心情是稳定多了。
10月上旬的后几日，八路军英勇挺进敌后，不断出击；中央军卫立煌部源源开赴忻口布防；华北战场上相持最久、规模最大的一次战役，随即在忻口以北展开。
10月12日，日军第5师团、关东军察哈尔兵团等部共3万余人，在坂垣的指挥下猛攻忻口。卫立煌指挥8万中央军和晋绥军，在50余里宽的阵地上固守抗击。日军凭借飞机、重炮、坦克优势轰击，中国守军主要靠近战肉搏，与敌人反复争夺阵地，战况激烈，伤亡惨重。
敌人攻势虽猛，但深入雁门关南，弹药、汽油以至军队所需之粮食、菜蔬，都要靠汽车、牛车、马车从大同、张家口远道运来。后方交通线遂成为前线军队的生命线。八路军抓住敌人这一致命弱点，把扰乱敌之远近后方和破坏其交通线，作为配合友军作战的主要任务。
当日军在忻口正面遭到我方守军抗击之际，八路军115师把从代县经平型关、灵丘至张家口的敌后东路交通要道完全破坏，收复灵丘、广灵等数座县城，一度攻占平型关等长城要隘；并以一部深入河北，收复冀西唐县等数县，直逼保定。120师卡断了日军从代县到大同的西路交通，两度攻占雁门关，收复雁北宁武等数县，使忻口之敌陷于孤立无援，前后被包围的困境。10月17日国民党军骑兵第2军军长何柱国在给蒋介石的密电中报告：“我林(彪)师在广灵、灵丘、平型关、沙河镇等处将敌背后截断，宁武、朔县、岱岳及其以北地区，贺(龙)师之宋支队及职军屡次迂回截击，敌已大感恐慌。”10月24日，卫立煌在给蒋介石之密电中称：“敌自雁门关被截断，粮秣极感困难……”敌华北派遣军司令官寺内寿一不得不坐飞机到忻口，为其下属打气。
忻口会战中，敌人最为肆虐的是飞机，敌欺我方无空军应战，任意俯冲投弹、低飞扫射我方阵地，将士对之莫不咬牙切齿。10月8日，彭德怀赴忻口，陪同周恩来与卫立煌商谈忻口布防及八路军配合问题。卫立煌心情焦灼地谈到，敌机每日清晨即来我方阵地侦察，继即以数十架飞机轮番轰炸，对阵地威胁最大，一天几乎要损失一个团的兵力。
当夜，彭德怀返回总部。翌晨，天色微明，彭德怀就到院子里，仔细谛听在重峦叠嶂中隐隐回响的敌机声。院子里战士狠狠地骂着，彭德怀眉头一皱，问身旁的作战参谋：“机场在什么地方?狗娘养的这么早就到了!”参谋答：“是从北平起飞的吧?”“不像!”彭德怀仔细搜索着飞机的影子：“按航速，从北平来，除非是半夜起飞，轰炸机也不能立马就至。鬼子必在忻口附近有着落场，二科马上侦察!”
12日，朱、彭报告蒋介石、阎锡山等：“代县已有敌机着落场，因我袭敌人后方交通，故连日敌人依靠飞机运输粮弹。”
其实，在代县西南的阳明堡，原即有阎锡山所筑机场。几天前落于敌手，还丢下了2000箱汽油，增长了敌机的凶焰。卫立煌不是不知道敌机从哪里飞来，而是无可奈何。
“打不下飞机打机窝!”八路军总部立即命令刚开入晋北的129师之769团进入代县，实地侦察，相机袭击敌机场。19日，769团(陈锡联)的赵宗德营夜袭阳明堡机场，一举烧毁敌机24架，取得平型关之捷以来又一次振奋人心的胜利。忻口上空一度敌机息影，“我军士气大振，各部均现欢容”。消息传至友军营连，“官兵闻讯，高兴欢呼‘中华民族万岁！”阎锡山、卫立煌开始尚不敢相信八路军果能创造这等战绩，派出飞机到阳明堡上空侦察证实，报告南京政府，南京方面方才发出电讯，并通电嘉奖。
在八路军的有力支持下，忻口友军坚守20余日，日军再次陷入苦战，晋北战局一度呈现有利形势。
日军疲滞于忻口，乃采取大迂回战术，集中平汉路兵力，沿正太路西进，抄太原之背。11月2日，忻口友军被迫撤离，转移太原。
尽管忻口战役未能挽救晋局，太原终于失陷，但忻口战役中，在八路军深入敌后袭击的有力支持下，中央军、晋绥军及援晋的各地方军互相配合，顽强鏖战，创造了华北正面战场最大的战绩。整个战役毙伤日军万余人。
忻口战役中，国共两党实现了良好的合作，当时的山西战场，有全国统一战线的模范之称。卫立煌等对八路军的战绩给予高度评价，认识到八路军是“有力量的友军，最忠勇爱国的友军”，“只有和八路军亲密合作才能打胜日本”。八路军对坚持忻口的友军也给予热情的赞扬。任弼时在《山西抗战的回忆》一文中写道：“忻口战役是华北抗战中最激烈的战争，郝(梦龄)刘(家祺)两将军在前线同时作了壮烈的牺牲，卫立煌将军指挥下的全线部队虽遭受重大伤亡，毫未动摇。许多将士英勇奋斗，是值得每个同胞永远纪念的。”
回顾八路军初出晋北，装备简陋，不但从前线退下来的友军官兵见了，摇头说打不过日本人，就是一般人看到，也将信将疑。不到两个月的时间，八路军连显神威，一方面对团结、鼓舞友军，支持正面战场，发挥了重大作用；一方面武装和发动群众，为坚持华北奠定了基础。敌人南进，八路军北进。太原失守之日，八路军已收复了正太路以北、平汉路以西的20余县失地。在聂荣臻的领导下，以五台山为依托，晋察冀抗日根据地已具雏形；贺龙率领的120师主力展开于晋西北；刘伯承率领的129师，按计划进入晋东南太行山区。这一鼎足而立的战略布局，遂成为八年全面抗战中，在共产党领导下，华北敌后三大抗日根据地(晋察冀、晋绥、晋冀鲁豫)的起点，也是以后进行全国解放战争的强大战略后方的起点，对于中国革命，实有不可估量的意义。昔日的红军，今天以八路军的崭新姿态和战略战术，活跃于长城内外、太行南北广阔的抗日战场，成为华北人民的希望和命运所系。
