日軍侵佔平津後，佔領長辛店、丰台、南苑、獨流等外圍據點，掩護其主力集中，按照其1937年7月27日制定的作戰計畫，預定在增援的第5、第6、第10師團到達後，以主力沿平漢、津浦鐵路南下。
8月1日，中國統帥部命傅作義之第35軍和湯恩伯之第13軍向察哈爾前進，以威脅平津日軍，8月4日，到達南口地區，日軍為解除其南進時的後顧之憂，以獨立混成第11旅團於8月8日進攻南口，遭到第13軍的頑強抗擊，多次衝鋒均被擊退。
8月9日，日本參謀本部為消除平津地區北面之威脅，為爾後作戰創造有利條件，令關東軍組成察哈爾派遣兵團，與中國駐屯軍協同打通平綏鐵路東段，並佔領張家口。日軍混成第11旅團於11日再次進攻南口，湯恩伯指揮第89師進行反擊，將日軍包圍於陣地前並切斷其後方聯絡線。日軍被迫轉為據山地防守，靠空投補給彈藥、食糧。日中國駐屯軍司令官香月清司，急調剛剛到達華北之第5師團增援。
8月20日，日關東軍察哈爾派遣乓團（指揮官東條英機中將，下轄獨立混成第1旅團，混成第2、第15旅團，步兵第16、第30聯隊，騎兵第2聯隊，野炮兵第2聯隊，工兵第2聯隊及第2飛行集團的14個飛行中隊）開始向張家口進攻，日軍第5師團於16日進至南口地區，指揮第11混成旅團猛攻第13軍陣地，25日攻佔南口。27日，北路日軍亦攻佔張家口。中國軍隊逐漸向綏晉地區撤退。
日軍佔領平綏鐵路東段後，為進一步擴大侵華戰爭，於8月31日再向華北增調第14、第16、第108、第109師團，並編成華北方面軍，以寺內壽一大將為司令官，下轄第1軍（司令官香月清司中將，轄第6、第14，第20師團，野戰重炮兵第1、第2旅、第8聯隊，獨立山炮第1、第3聯隊，戰車第1、第2大隊）、第2軍（司令官西尾壽造中將，轄第10、第16、第108師團，野戰重炮第6旅團）。方面軍直轄部隊有第5、第109師團，中國駐屯混成旅團、臨時航空兵團及獨立攻城重炮兵第1、第2大隊等。9月4日，第1、第2軍分別沿平漢、津浦鐵路南下，以平漢路為主要進攻方向，企圖在保定、滄縣一線圍殲河北境內的中國軍隊，察哈爾派遣兵團配屬一部偽滿軍及偽蒙軍，由張家口沿平綏路向天鎮、大同進攻，第5師團由宣化，涿鹿沿桑乾河兩岸向蔚縣、陽原進攻。
隨著日本侵華戰爭的擴大，國民政府於8月11日召開國防會議，決定成立大本營（不久仍以軍事委員會為抗戰最高統帥部），由蔣介石任陸海空軍大無帥。8月20日下達《國軍作戰指尋計畫》，將全軍區劃分為5個戰區，確定主戰場在第一戰區，主戰場之側背在第二戰區。第一戰區作戰地域為冀省及魯北，司令長官蔣介石兼，由石家莊行營主任徐永昌代理。第二戰區作戰地域為察、綏、晉省，司令長官閻錫山。當南口，張家口之軍隊撤退至察、綏時，第二戰區決定加強晉北的防禦，並擬定了作戰計畫：「利用山地殲滅敵人。以主力配置於天鎮、陽高、廣靈、平型關各地區，以一部控制於大同、渾源、應縣附近。」
9月5日，日察哈爾派遣兵團開始進攻。李服膺之第61軍，在天鎮以東山地逐次抗擊後退人城中。9日，陽高失守，李服膺棄天鎮城撤走。
11日，日軍進至聚樂堡，逼近大同，第5師團亦攻佔蔚縣，第7集團軍總司令傅作義計畫集中兵力，在大同地區與敵決戰。閻錫山以大同地形不利為由，收縮戰線，令其放棄大同，退守雁門關長城沿線。日察哈爾派遣兵團於13日佔領大同，17日攻佔豐鎮，20日佔領左雲、右玉。第5師團於14日攻佔廣靈，9月21日，第二戰區急令第17、第15軍及第73師開赴平型關，阻止日軍西進。
22日，日軍開始進攻，遭到守軍的頑強抗擊，頓兵關前。25日，日軍第5師團第21旅團野戰炮兵大隊及師團輜重部隊向平型關增援，在平型關以東的小塞村附近，被設伏該地的第18集團軍第115師包圍，全部被殲。日察哈爾派遣兵團於當日下令，命第2、第15混成旅團及獨立第1混成旅團，分別由大同，懷仁、右玉南下，增援第5師團。平型關方面，日軍連日猛烈攻擊，均被守軍擊退。到29日，日軍南下的3個旅團，分別突破第61軍在長城沿線、第34軍在茹越口、騎兵第1軍在平魯等地的防線，攻佔了平型關以西的鐵角嶺、繁峙，朔縣。
平型關的中國軍隊，為避免彼敵包圍，於30日拂曉，向五台山區轉移。
日軍攻佔平型關後，第5師團繼續西進，與佔領繁峙之第15混成旅會合後，於10月1日攻佔代縣。日本參謀本部根據中國正集中兵力於上海戰場，未再向華北戰場增派兵力，大同以北、以西地區的守軍兵力薄弱，正由晉北後撤，而其第1、第2軍及察哈爾派遣兵團進展順利的情況，於10月1日命令華北方面軍「以一部兵力進佔太原」，並令關東軍將察哈爾派遣兵團的2個旅團轉隸華北方面軍。華北方面軍令第5師團長板垣征四郎負責指揮。所屬部隊有該師團之第21旅團、第9旅團之步兵第11聯隊；察哈爾派遣兵團轉隸來之混成第2、第15旅團；中國駐屯軍步兵第2聯隊、堤支隊（2個步兵中隊、1個機槍中隊、1個步兵炮隊、1個裝甲汽車隊），第2聯隊及騎兵、工兵各1個中隊。總計步兵約24個大隊、騎兵6個大隊、各種大炮95門（山炮21門、野炮44門、輕榴彈炮20門、150毫米榴彈炮8門，150毫米加農炮2門）、戰車數十輛。為掩護部隊集中和整頓，板垣令混成第2，第15旅團繼續向撤退之中國軍隊進攻，師團主力擬於10月13日開始進攻。
中國軍隊放棄平型關後，晉北形勢危急。中國統帥部於10月1日急令第一戰區之第14集團軍總司令衛立煌，率4個半師，由石家莊經正太路車運太原，轉赴晉北，兼程馳援。第二戰區將準備在忻口地區抗擊日軍的部隊編為4個集團軍：右翼軍（第18集團軍總司令朱德），轄第115、第129、第73、第101師，新編第2師；中央軍（第14集團軍總司令衛立煌），轄第9、第14、第15、第17軍（每軍2個師），第19軍（2個師又1個旅），第85、第94、第177、第42師，獨立第5旅，炮兵第5團，炮兵第23、第27。第28團（各欠1個營）及1個戰車防禦炮營，1個裝甲車隊；左翼軍（第6集團軍總司令楊愛源）轄第68、第71、第120師，獨立第7旅及炮兵3個營；總預備軍（第7集團軍總司令傅作義），轄騎兵第1、第2軍，第34，第35，第61軍，第66師，獨立第1旅，炮兵第21、第22團及炮兵第25團第2營，戰區直轄空軍北正面支隊（4個飛行中隊，10月12日歸人中央集團軍序列）。
戰區制定的忻口會戰方針是：「1.本戰區以攻勢防禦之目的，以主力佔領蔡家崗、靈山、界河鋪、南懷化、大白水、衛家莊、1482高地迄陽方口既設陣地線，兩翼依託五台及寧武各山脈，縮短戰線，集中兵力，對侵入之敵乘其立足未穩，迅速擊滅之。2.以一部佔領五台山、羅圈溝、峨口至峪口之線，另以主力之一部佔領中解村、陽明堡、虎頭山、黑峪村之線，竭力阻止敵之前進，不得己時，撤據崞縣、原平、軒崗一帶，逐次消耗敵之實力，以掩護大軍之集中。」
戰區的兵力部署是：以右翼軍在五台山、羅圈溝至峪口之線佔領陣地；中央軍在蔡家崗至1482高地之線佔領陣地；左翼軍在黑峪村迄陽方口之線佔領陣地；總預備軍控制定襄、忻縣一帶，策應各方。
10月1日，日軍混成第2旅由繁峙進攻崞縣。其先頭部隊在陽明堡擊破第19軍之警戒陣地後，向鄭家營之第205旅進攻。2日，第19軍主力在崞縣部署完畢，與日軍展開激烈的城池攻守戰。4日，日軍混成第15旅由崞縣城西迂迴，進攻原平。5、6兩日，日軍在炮火支援下，多次進攻，均被守軍擊退。第19軍軍長王靖國由第70師抽出部隊，組織數次夜間出擊，頗有斬獲，7日，日軍航空兵及炮兵進行數小時火力急襲，爆毀北城垣數十米，守軍第401團傷亡殆盡。日軍在戰車掩護下，於14時突人城中。22時，城中各部隊之高級指揮官均親率直屬隊進行巷戰，終因傷亡太大，無力再戰。8日2時許，王靖國率第19軍殘部，分由東、南關撤出，崞縣遂陷。原平守軍第196旅堅守至11日下午，僅余官兵二三百人，仍與突人城內的日軍巷戰兩小時之久，旅長姜玉貞戰死，原平陷落。在此之前，寧武已於10月6日失守，守軍獨立第7旅退守軒崗。
10月12日，各集團軍均已到達忻口地區，佔領陣地。第二戰區又令傅作義率總預備軍加入中央軍作戰，並調整部署，將中央軍區分為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