根据八路军总部下达的作战命令，十月一日，八路军第一二o师雁北支队袭击了朔县以北的井坪镇，克平鲁县城，并在辛庄附近伏击了日军运输队；八日，该师第三五八旅夜袭宁武县城；十日，八路军第一一五师独立团克涞源县城，该师第三四四旅在平型关附近断绝了日军的交通线。由于日军主力部队均已南下，晋北各处要地只能分兵守备。因此，位于敌后战场的八路军，利用日军兵力薄弱之时，发挥袭击战和伏击战的优势，多次歼灭日军运输队，连续转战收复多个城池，“切断了张家口至代县间日军的后方交通线”。
中国军队第一九六旅，死守原平近十天，歼灭日军近千人，全旅五千官兵仅存活二百余人。崞县、原平的坚守，以及八路军袭击日军后方的作战，为第二战区主力部队于忻口一线的集结和布防争得了宝贵时间。忻口，“前往太原途中最后一处可守的山口”。截至十月十一日，忻口前线的中国守军已全部进入指定位置，并占领了预设阵地。十二日，日军由原平一线继续南下。中国军队集结于忻口战场的总兵力约二十八万，除了中央军嫡系部队第九军、第十四军、第九十四师外，还有晋军、陕军、豫军、东北军、八路军等部队，还有炮兵八个团、骑兵四个师，以及可以支援作战的空军战机三十架。
攻击忻口的日军，除了板垣征四郎的第五师团外，还有原属于关东军察哈尔兵团的独立混成第二、第十五旅团以及萱岛高支队和堤不夹贵支队，共计约十五个步兵大队，配属坦克一百五十辆、大炮二百五十门、作战飞机三百架，总兵力约五万。——板垣征四郎总是抱怨兵力不足，特别是他的第九旅团被抽调到杭州湾登陆去了，兵力更觉捉襟见肘。尽管华北方面军司令官寺内寿一从担负平津警备任务的第一九师团中抽出了两个步兵大队，再加上一个机械化步兵联队，命其增援山西战场，但板垣征四郎还是认为自己兵力薄弱。
十月十二日，日军向忻口前沿进行尝试性攻击和潜进，中国守军左翼兵团首当其冲。在飞机轮番俯冲轰炸后，三百多名日军骑兵和四百多名步兵，同时向忻口西北方向一条弧形防御线上的要地——兰村、阎庄、卫家庄和一四八二高地——发起攻击，随即突破中国守军于一四八二高地和卫家庄的阻击。中国守军在炮兵火力支援下奋力反击，击毁日军坦克四辆，致使突入右两翼兵团出动部队，分别向广灵、灵丘、代县和崞县进行敌后游击作阵地的日军暂时后撤。
试探性进攻受挫后，日军决定以混成第十五旅团、堤不夹贵支队为右翼，第五师团为左翼，发起正式攻击。十三日拂晓，日军先以一部实施火力侦察，然后开始全面突击。由于中国守军的左右两翼有云中山和五台山阻挡，日军集中了五千多步兵，在三十余架战机、五十余辆坦克和五十余门火炮的支援下，采取中央突破的战术，向中国守军第五十四师的南怀化阵地以及左翼兵团的阎庄阵地发起猛攻。战至上午十时，南怀化沿云中河北岸的阵地全被摧毁，中国守军伤亡殆尽。由于增援不及时，日军从撕开的缺口蜂拥而进，渡过云中河，继续向一二高地攻击。第九军军长郝梦龄命令第二十一师师长李仙洲实施反击。李师长身先士卒，亲率六十三团冲锋。在日军强大的火力面前，六十三团官兵伤亡巨大。
左翼，日军将攻击阎庄的兵力猛增至三千余人，突破了当面中国守军第十师的阵地，双方进入反复的争夺状态。右翼，日军九百余人在原平以南的桃园附近渡过滹沱河，中国军队第六十四师的一个团前往迎击，双方陷于持续的激战。与此同时，八路军，第一一五师第三四四旅主力夜袭团城口，随后收复平型关及浑源县城；同一个晚上，该旅六八八团袭击了砂河镇的日军守军，随后一举向西攻克繁峙县城。接着，八路军第－二师第三五八旅七一六团以一部向雁门关日军守军发动袭击，一度切断了雁门关至忻口的交通。
“日军似感受极大威胁，其重兵器有后撤模样。”卫立煌和傅作义判断，当面日军攻击受挫，需要整理态势并等待增援，之后才能重新发动攻势，遂立即决定乘势发动反击。卫立煌从忻县前线指挥部致电阎锡山，告知准备动用预备部队从中央兵团地域出击。卫立煌和傅作义共同策划了反击作战的要领，即以郝梦龄的第九军（欠第四十七师）附李仙洲的第二十一师，在现阵地抵抗日军的进攻；以卫立煌的第十四集团军由大白水附近、傅作义的第七集团军由忻口附近联合出击，从左右两路对当面日军实施夹击。十四日凌晨一时，卫立煌下达了全线反击的作战命令：十三日夜，参加反击作战的中国军队均已抵达忻口以北界河铺附近的出击位置。从军事角度上看，卫立煌的反击计划是正确和果断的：以攻为守，在条件允许的情况下，不失为积极防御的有效手段，而这种积极防御的理念是抗战爆发后中国军队最为缺乏的。
但是，此刻在忻口战场发动大规模的反击作战，理应注意这样一个前提：尽管当面日军攻击受挫，但未到无力攻击的地步，也未到必待增援的境地。日军在十三日攻击未果的情况下，十四日也许会发动更大规模的攻击，而重点很可能是中国守军中央兵团的阵地，即目前李仙洲的第二十一师的阵地。——那么，卫立煌是否想到过，一旦第二十一师既是日军攻击的主要方向，同时又是中国军队反击作战的主要方向——敌我两军迎头相撞，将会出现何种景象？无法得知当面日军是否掌握了中国军队的情报——当中国守军全面反击作战开始时，当面的日军也同时发动了进攻。凌晨二时，云中河岸边，中日两军瞬间就冲撞在了一起。