按照作战计划，董其武的第二一八旅向云中河北岸扑过去。该旅在攻击前进时，接到了增援南怀化阵地的命令。南怀化位于界河铺的西北方向，是中国军队忻口一线阵地的核心支撑点，阵地上的守军是第九军第五十四师第一六一旅。日军在猛烈炮火的支援下，向第一六一旅三二二团三营的阵地轮番攻击。日军突破了南怀化阵地前沿，中国守军退入南怀化村中，后又退到村外的小高地上。为了封堵南怀化缺口，第九军军长郝梦龄亲赴前沿督战，指挥部队连续反击，与日军在南怀化村几进几处。郝军长命令董其武的部队增援南怀化后，中国守军在阵地前组织起突击队，轮番向日军发动反击，但南怀化阵地依旧没能收复。
此时，在忻口一线，中国军队中央兵团的所有阵地都已处在日军不间断的凶猛攻击下。十四日晚八时许，卫立煌率独立第五旅来到前沿。他发现前线部队太多，伤亡严重，且指挥很不统一，于是重新调整了部署：命令陈长捷指挥第二十一师，独立第二、第三旅（欠第四团），新编第四旅，负责扫清南怀化之敌；命令郝梦龄指挥第五十四师，独立第三旅的四团，第二一八、第二一七旅，担任正面防御并向日军再次实施反击作战。
十五日，左翼中国军队第十师的大白水村阵地，受到日军在三十多辆坦克引导下的持续攻击。中国官兵最痛恨的就是日军的坦克，他们打坦克的山炮很少，只能在阵地前挖出很深的反坦克壕沟。日军的坦克被阻挡后，中国官兵便用机枪向日军步兵射击，壕沟的底部很快就被日军的尸体覆盖。中国守军为对付日军的坦克使用了各种方法：“先往坦克上浇汽油，再投以手榴弹；或是冲到坦克前面，把手榴弹塞到履带里。但是，面对日军坦克的集团冲锋，大白水村阵地还是危机重重。有限的反坦克战防炮击毁了几辆日军坦克后，立即招致日军报复性的炮击。不过十几分钟，就把一个战防炮排阵地炸得血肉横飞，尘土漫天，战防炮排的官兵完全与阵地共存亡，无一幸存者。”
这一天，中国空军第二十七大队的两架战机自汾阳机场起飞，于凌晨五时三十分轰炸了位于崞县的日军阵地，十分钟后安全返航。六时十五分以及八时十分，两架中国战机再次轰炸了崞县日军阵地，返航时遭遇四架日军驱逐机的拦截，中国飞行员苏英祥、廖兆琼阵亡，飞机残骸坠落于忻县附近。十四时三十分，中国空军第七大队和第十二大队的战机再次起飞，轰炸目标是崞县西北日军运输线上的一座桥梁，但因投弹偏离没有命中，战机安全返航。
忻口激战的同时，根据第二战区的作战计划，八路军继续深入敌后顽强袭扰。第一一五师第三四四旅将从灵丘方向开来的一百三十多辆日军汽车堵在了小寨村附近，尽管日军派出一个大队增援，但第三四四旅死顶不退，日军被迫撤回了灵丘。该师独立团和骑兵营在广灵以南的冯家沟伏击了日军第五师团的第二运输队，毙伤日军百余人后，先后克复广灵、紫荆关、易县、灵丘和蔚县。八路军第一二0师在忻口的右翼，先后占领了攻击忻口日军的数个后方要点，并向原平附近出击，破坏了大同至太原的公路，严重打击了日军后方补给线。
但是，忻口全线的关键支撑点南怀化阵地，仍在日军手中。十五日晚，卫立煌严令郝梦龄十六日出击，必须夺回南怀化阵地。与十四日的情况一样，中国军队刚刚发动反击，日军的大举进攻同时开始了。担负反击南怀化阵地任务的独立第三、第五旅和新编第四旅等部队，作战一开始就陷入了混乱。日军在南怀化阵地正面增加了兵力，李继程旅长指挥六一四团二营，再调来六一五团三营，避开日军的攻击正面试图从左右夹攻，日军的炮火即刻覆盖了战场的左右两翼。战至两个小时后，二营和三营的官兵因伤亡所剩无几，李继程旅长也在赴前沿督战时阵亡。
独立第五旅反击受挫，令军长郝梦龄焦灼万分，决定亲上前沿督战。部下阻止说，前往独立第五旅的阵地，必须通过一段长约二十米的小路，小路被日军的四挺机枪严密封锁，已经导致四名传令兵阵亡。如果军长坚持要去，必须绕路。郝梦龄军长不肯，认为绕路会耽误时间。郝梦龄带着第五十四师师长刘家麒走向了那条令他们一去不复返的小路。刚进入被敌人控制的危险路口，即被占领烽火台南沿制高点之敌发现，四挺机枪一阵疯狂扫射，将军身中十余弹，倒在血泊中。师长刘家麒不顾生死，急救将军遗体，尚未离开地方，也同样殉国。中国陆军第十四集团军第九军军长郝梦龄，是抗日战争爆发后阵亡的第一位军长，殉国时年仅三十九岁。
卫立煌指令第十四集团军参谋长郭寄峤接任第九军军长，第一六一旅旅长孔繁瀛接替第五十四师师长，指定第六十一军军长陈长捷统一指挥中央兵团继续作战。十六日，南怀化阵地依旧未能收复。卫立煌判断，日军的增援部队最迟十七日抵达，在此之前击溃当面之敌当然有利，然而忻口一线的中国守军伤亡过大，消耗甚巨，已经无力支持大规模的全线反击作战。尽管蒋介石命令驻扎潼关一带的邓锡侯的第二十二集团军日夜兼程赶赴忻口，阎锡山也命令朱怀冰的第九十四师等部队迅速抵达前线归卫立煌指挥，可援军的抵达毕竟需要时间。基于目前战场局势，卫立煌决定全线采取守势——坚守现有阵地，援军抵达再战。
忻口阻击的第一个星期，中国军队以顽强的作战顶住了日军的疯狂攻击。从军事上讲，在忻口战场进入僵持的时刻，如果中国方面能够迅速增兵，或许只要再投入几个武器装备较好的陆军师，便有可能将当面日军击溃，至少能够利用有利的地形把日军阻挡在滹沱河边。但是，阎锡山和卫立煌最害怕的事还是发生了——或许现在他们应该想起了毛泽东的提醒——在忻口战场的侧背，晋东的娘子关方向，此刻已是炮声隆隆。