十四日，阎锡山重新调整了防御部署：曾万钟的第三军之三个团在旧关以南的九龙关、北孤台设防，余部负责歼灭旧关之敌；朱怀冰的第九十四师和李兴中的第一七七师之第五二九旅，于战场的西北面占领黑山关、龙泉关阵地；孙连仲的第一军团派出一个团扼守黑山关南面的六岭关；冯安邦的第二十七师在娘子关集结；张金照的第三十师派出一个旅占领井陉以北的桃林坪、小枣一线阵地；池峰城的第三十一师位于娘子关的西南方向，由正太路上的阳泉向东推进，作为预备队。同时，阎锡山还致电五台县第十八集团军总指挥朱德，命令刘伯承的第一二九师开赴阳泉。
这一天的拂晓，娘子关前线的中国军队开始主动攻击，战场形势出现了一些好转的迹象：第三十五旅将继续攻击旧关的日军击退；第二十七师部队攻占了旧关以北的核桃园和大小龙窝；第四十四旅不但击退了向西攻击的日军，占领六岭关，还与第十八集团军的八路军部队取得了联系，令娘子关中国守军左侧的威胁基本解除。由旧关向娘子关攻击的千余日军，进入两关之间一条名叫关沟的深沟时，受到第七十九旅一个团加两个营的围攻，被封锁在深沟里的这股日军伤亡巨大。十五日，中国守军对关沟里的残余日军进行清剿。第七十九旅官兵从三个方向一齐杀入，在关沟里藏了两天的日军，背后是绝壁，无处可逃，数百人被击毙。
此时，西面的忻口仍在血战之中。侵入旧关的日军在中国军队的持续围攻下依旧不退，旧关遂成为娘子关战场的作战核心。十六日拂晓，中国军队发动反击时，日军也同时发动了攻击。占领了核桃园的第二十七师部队被迫向后撤退，第三十师从乏驴岭向井陉发起的出击未能奏效。十八日，日军向中国守军各阵地全面攻击，虽未能得逞，却导致中国守军伤亡剧增。十九日凌晨二时，第三十一师一部冲入旧关，与日军展开肉搏战，最终将日军赶出了旧关。拂晓时分，日军增援部队抵达，重新夺回旧关。
连日来，日军第二十师团攻击娘子关的部队，以第三十九旅团为主，十九日，日军华北方面军命令第二十师团投入后续部队迅速攻占娘子关。为了支援第二十师团，打破娘子关战场的僵局，日军华北方面军命令第-O八师团之第一o四旅团归第二十师团指挥；命令第-O九师团从石家庄以南的元氏出动，向西进入山西境内，通过昔阳县直插娘子关的背后。 从太原回防娘子关的孙连仲部，经过娘子关战场的连日苦战，当下剩余兵力不足六千。面对日军将要发动的更大规模的攻势，第二战区在这个方向上已经无力再增加任何防御力量。娘子关战场前途未卜，忻口战场亦在危境之中。
日军增援兵力逐渐抵达后，十八日，西起大白水阵地，东至滹沱河南岸阵地，板垣征四郎向忻口一线的中国守军发动了新一轮攻击。日军采取集团作战的方式，一波接一波潮水般地冲锋，中国守军一线官兵拼死抵抗不得喘息。这种残酷的攻防战，使得忻口最前沿阵地反复易手达十三次之多，中国守军六次丢失七次夺回。二十日，日军使用了催泪性毒气和燃烧弹，向中国守军阵地实施毁灭性轰击。新抵达战场的日军增援部队萱岛支队加入作战后，忻口中国守军左右两翼和中央阵地都进入了更为残酷的搏杀。
造成中国官兵严重伤亡的，还有头顶上的日军飞机的轰炸。由于严重缺乏对空武器，日军飞行员可以肆无忌惮地低空扫射，这种从天而降的打击令中国官兵几乎无处躲藏。但是，突然有一天，忻口战场上空的日军飞机少了，甚至连续两天不见了踪影，消息很快传来：距忻口战场最近的一个日军机场让八路军给端了。
十月八日，八路军副总指挥彭德怀曾赴忻县卫立煌的指挥部，其间卫立煌诉说了日军飞机的轮番轰炸令前线每天损失兵力将近一个团的苦楚。彭德怀判定：忻口附近一定有一个日军的临时机场。依据日机的航速以及续航能力，若是从北平起飞，不可能每天这个时候抵达忻口一线。于是，第一二九师第三八五旅七六九团团长陈锡联接到了进入代县附近地区侦察的任务。他们找到当地的老乡问询，得知河对岸阳明堡镇的南侧有一个日军临时机场。机场驻扎的二十四架战机，白天飞赴忻口战场，晚上停放在机场跑道上。日军的一个联队负责守卫机场，但是联队的大部驻扎在阳明堡镇，机场里只有地勤人员加上一小股警卫共约两百人。
陈锡联部决定以隐蔽手段潜入机场，出其不意，给敌人以突然袭击。十九日夜，八路军出发了。从忻口飞回来的战机，分成三列整齐地停放在跑道边。十一连二排的官兵首先摸到了这些大家伙。但是，突然间，从十连行动的方向传来日军的叫声，接着便响起清脆的枪声----十连已经与日军哨兵交火了。就在这一瞬间，十连和十一连在不同的方向同时向各自的战斗目标猛扑上去，两军在火光中开始了近距离搏斗。几十分钟后，阳明堡机场的二十四架战机全部被击毁，百余名日军被歼灭。八路军的敌后作战，给忻口战场上的日军造成极大的困扰。
忻口作战，中国军队兵力损失严重：阎锡山、傅作义的“晋绥军六十余团，现合并不足二万五千人”；赵寿山的第十七师损失四分之三；孙连仲的第一军团损失三分之二；李默庵的第十师、郝梦龄的第五十四师、刘戡的第八十三师、陈铁的第八十五师均损失二分之一；冯钦哉的第十四军团损失三分之一；李仙洲的第二十一师、高桂滋的第八十四师、朱怀冰的第九十四师均损失三分之一；曾万钟的第三军损失四分之一……倘若继续再战，损失“尚难计算”，