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於1937年9月27日和28日，先後突破中國第二戰區茹越口、下村內長城防線，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、平型關一帶之內長城線。侵佔大營鎮、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佔領太原」；令關東軍察哈爾派遣兵團人列華北方面軍指揮下。華北方面軍於當日夜半，即令關東軍察哈爾派遣兵團位於內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，準備攻佔太原。6日，華北方面軍命令沿平漢路南侵的第1軍在適當時機攻佔石家莊，並以一部兵力進入井陘以西的要地，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，攻佔太原。
內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，將兵力集中於寧武、代縣、原平一帶，利用忻口要隘與日軍決戰，保衛太原，判斷日軍將以主力由大營，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，第二戰區確定的作戰方針是：以攻勢防禦之目的，以主力佔領原平、陽方口地區既設陣地線，兩翼依託五台及寧武各山脈。將部隊編為右、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佔領陣地；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，大白水一線佔領陣地；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佔領陣地；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，配置於定襄、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，包圍日軍於原平以北山地而殲滅之。
對於保衛山西的作戰，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著頻繁的接觸，多次參與一些重要作戰計畫的研究，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，以主力用於正面防禦的作戰計畫，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游擊，以牽制敵軍；左地區兵力較弱，可向寧武南北游擊，破壞和阻止敵軍的前進計畫。」
為了爭取忻口和太原作戰的勝利，中共中央軍委主席毛澤東於10月6日致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，將向西面進攻，故龍泉關（應為九龍關）、娘子關兩點須集結重兵，實行堅守，以使主力在太原以北取得勝利。」毛澤東判斷：進入山西之敵，總數不過兩個半師團，為確保晉北佔領區，又須分兵守備。因此，到達忻口一帶作戰者不過1個師團左右。如果我方部署適當，是有可能暫時破壞敵之攻擊計畫的。並指出，此次戰役夫鍵在於以下3點：1.娘子關，龍泉關之堅守；2.正面忻口地區之守備與出擊（出擊是主要的）；3.敵後方之破壞。為達上述目的，毛澤東提議：國民政府軍事委員會應速派主力軍三四個師至娘子關；第14集團軍的4個師擔任正面出擊兵團之主力，晉軍以2個師階助出擊，其餘擔任守備；八路軍第115、第120師主力擔任從東、西兩方破壞敵之側後縱深地區，襲擊忻口至大同、大同至張家口之鐵路及代縣、廣靈至張家口之公路交通線。八路軍第129師主力或全部則使用於正大路，發動群眾，配合娘子關守軍鞏固後方。
根據毛汗東的指示，朱德，彭德懷於10月6日、7日，令第115師階同友軍向平型關、大營鎮之敵進攻，相機襲取渾源、應縣，斷絕茹越口、繁峙之間交通；令第120師以主力向岱嶽鎮（今山陰）以西山地出動，斷絕大同與雁門關之間交通，以第358旅主力配合友軍夾擊寧武以南之敵；令第129師主力進至正太路之壽陽、平定地區，積極鉗制與打擊西進之敵。
根據中共中央軍委和八路軍總部的部署、在日軍準備向忻口發動進攻時，八路軍各部隊即向日軍側後展開積極主動的攻擊。第115師獨立團於10月10日夜攻佔淶源縣城。第120師第358旅主力於10月8日夜襲寧武縣城。該師雁北支隊於10月1日襲占朔縣以北之井坪鎮（今平魯縣城），4月又收復平魯縣城（今平魯鎮）。爾後，又對同蒲路朔縣至大同段展開破襲戰。10日，在辛庄伏擊日軍運輸隊，隨即逼近大同。
當日軍主力於10月中旬向忻口陣地發動進攻後，八路軍即向日軍兩翼及後方廣泛展開游擊戰。第115師第344旅主力於10月13日至14日在平型關東北小寨村附近，斷絕日軍交通。15日，截擊由靈丘方向駛來的日軍汽車130餘輛，並擊退日軍1個大隊的數次反撲，迫其退回靈丘。接著，第344旅主力於當日夜襲團城口、爾後又收復平型關及渾源縣城。第344旅第688團於15日夜襲沙河鎮日軍，繳獲大批糧襪和軍用物資。18日，該團一舉攻克繁峙。第115師獨立團，騎兵營等部，則向察南、冀西日軍展開進攻。5日，獨立團於廣靈以南之馮家溝設伏，殲滅日軍步騎兵100餘人，繳獲滿載軍用物資的大車120餘輛。16日乘勝收復廣靈縣城。隨後，又收復靈丘、蔚縣、易縣、渾源、陽原等縣城。向冀西挺進之騎兵營等部於18日克複曲陽縣城，至29日，又連克平山，唐縣、完縣等城，嚴重威脅了日軍平漢路北段的交通。經20餘天的作戰，第115師先後收復縣城10座，切斷張家口至代縣間日軍後方交通線。
第120師則向進攻忻口的日軍右翼及後方展開廣泛遊擊。第358旅旅部率第715團於10月13日夜向崞縣日軍進擊，一舉攻佔大牛店。隨即於14日乖勝向南北大常、永興村日軍進襲，斃傷日軍120餘人。第358旅第716團深人日軍側後，打擊日軍運輸隊，18日，該團於黑石頭溝公路兩側進行伏擊，斃傷日軍300餘人，擊毀汽車20餘輛。20日夜，又以一部襲占雁門關；另一部破壞廣武至太和嶺間的公路及橋樑，一度切斷雁門關至忻口的交通。第359旅（欠第718團）在日軍向忻口陣地發起攻擊時，星夜由平山地區進至忻口西北，側擊日軍。10月23日，該旅在陽明堡西南之王董堡伏擊日軍運輸隊，毀日軍汽車7輛。此後。不斷襲擾過柱日軍，使日軍交通運輸進一步陷入癱瘓。
由於第115師和第120師的積極作戰，使進攻忻口之日軍與大同、張家口的交通中斷，糧、彈、油料等供應斷絕，迫使日軍不得不使用飛機來輸送給養，衛立煌於10月24日給蔣介石的密電中稱：「敵自雁門被切斷，糧秣極感困難，現向地方怔發雜糧中，」為此，國民政府軍事委員會連電嘉獎。蔣介石亦於10月17日致電朱德、彭德懷：「貴部林師（即第115師）及張旅（即務358旅），屢建奇功，強寇迭遭重創，深堪嘉慰，」
日軍在地面攻擊受挫，遂由代縣西南之陽明堡前線機場出動飛機，加緊對忻口陣地的轟炸。此時，奉命於崞縣、代縣以東地區側擊日軍的八路軍第129師先頭部隊第769團，進至滹沱河南岸蘇龍口一帶，發現日機不斷由北岸的陽明堡機場起落。經周密偵察獲悉：陽明堡機場有日機24架，並駐有警衛分隊和地勤人員200餘人，大部配置於機場北端，機場周圍設有鐵絲網和簡單防禦工事。據此，第769團決心夜襲機場。其部署是：以第3營襲擊機場；以第1營鉗制和阻擊哼縣的日軍；以第2營（欠第7連）為團預備隊，並以第8連破壞王董堡的橋樑，保證第3營的側後安全。團迫擊炮連位於滹沱河南岸，準備支援第3營戰鬥，10月19日夜，第769團各部分別向預定地區開進。第3營順利偷渡滹沱河後，以1個步兵連警戒陽明堡方向可能來援之敵，以2個步兵連和機槍連組成突擊隊，以1個步兵連作營預備隊。突擊隊避開日軍警衛分隊駐守的機場北端，從機場東、西兩側秘密潛入機場。當接近到距日機約30米時，日軍哨兵發覺。突擊隊當即按預定計畫發起攻擊，一部將口軍警衛分隊壓制於掩蔽部內，並打退其連續反撲；一部迅速撲向飛機群，先以猛烈火力突擊，爾後以集束手榴彈塞進機艙，飛機爆炸起火。突擊隊與日軍警衛分隊白刃格鬥，經1小