10月15日，中国第二战区司令部为了进一步扩大战果，歼灭敌人，收复中央阵地，调第九军、第二十一师等部约5个旅兵力在中央兵团总指挥、第九军军长郝梦龄的指挥下，向日军占领的阵地发起反攻。中国军队从正面出击，从三面围攻敌人。
16日凌晨2时，反击开始。在郝梦龄的指挥下，中国军队连克几个山头，到5时许，天色微明，郝梦龄急于赶到第5旅的前沿阵地指挥作战，官兵们告诉他，前面有一段路被敌人火力封锁十分危险，劝他写书面命令派人送去，郝军长说：“瓦罐不离井口碎，大将难免阵前亡。”说罢毅然向前沿阵地奔去，在穿过离敌仅二百米的阵地时，不幸中弹壮烈牺牲，年仅39岁。同时牺牲的还有五十四师师长刘家祺，接着独立第五旅旅长郑连珍也阵亡殉国。
由于忻口中国守军的勇敢作战，日军自10月13日开始进攻忻口中央阵地，到10月底，双方激战半月之久，日军始终未能完全占领这些地区。
日军在忻口附近受到中国军队的顽强抵抗，进展甚微，于是在10月中旬派兵沿正太路向太原进攻。驻守在正太路娘子关隘口的中国守军是国民党第二战区副司令长官黄绍竑所部。自10月11日开始，日军与中国守军在正太路及娘子关周围地区进行战斗。14日，中国守军在娘子关附近得到孙连仲所部的增援，立即对进犯之敌进行反，当日即毙敌数百名。15日，又将侵入关沟之敌1500多人大部歼灭，并于次日拂晓发动全线进攻，与敌血战肉搏，痛歼敌军。但到19日，日军援兵大量增加，并得到飞机、火炮的有力配合，中国军队虽继续奋勇战斗，终因力量悬殊，逐渐转为劣势。26日，娘子关遂被日军攻陷。娘子关失守，忻口中国守军处于腹背受敌的境况。11月2日，第二战区司令部不得已下令忻口守军撤退，保卫太原。洒满中国将上鲜血的忻日于当日被日军占领，战事转向太原。
口战役从10月11日开始至11月2日结束，苦战23天，经过南怀化之战、红沟大战、大白水激战等无数次大小战斗，战事形成对峙，日军三易其帅而无济于事，成为抗战初期在华北战场上最激烈的战役，也是历时最久，交战双方伤亡最大的一次战役。抗日军队先后加入战斗兵力计约16个师10万余人，死伤5万余人；日军投入兵力约5万余人，死伤两万多人。这次会战虽然中国方面失利，付出了重大牺牲，但是由于中国守军英勇抵抗，从而消耗了大量敌军，争取了时间，破坏了日军的河北平原会战计划，使平汉线中国军队得以南撤。
忻口会战之后日军原本想乘胜直取太原，但是大本营却直接命令忻口前线的日军主力第五师团立即北上进攻晋北重镇大同。
11月6日，日军第五师团第九旅团攻占朔州，大军继续向大同方向开进。
朔州.日军第五师团临时指挥部。
第五师团师团长板垣征四郎志得意满地坐在主位上，他有理由自豪也有理由骄傲，开战不久他便率领大军攻破支那精锐之师第13军驻守的军事重镇南口，重创支那政府中央军精锐，随后大军一路南下西进，势如破竹，支那军队望风而逃，兵锋所指所向披靡。
几天前他有攻占了太原的门户忻口，要不是大本营突然来了这么一道命令，现在他恐怕已经攻占自己那位老同学阎锡山的老巢太原了。