日军首先实施的是第四十一师团和独立混成第九旅团的穿透行动，他们要从中国军队第五集团军与第十四集团军的中间插过去，先把这两个集团军割裂开来再实施各个包围。日军事先侦知，中国军队第四十三军为阎锡山的晋军部队，战斗力较弱，于是选择了第四十三军所在部位发动了猛烈突击，而这里恰恰是第五集团军与第十四集团军的接合部。
七日傍晚，第四十三军的两个师和第十七军的两个师据守木耳河、天盘山阵地，中国官兵与日军彻夜作战，八日拂晓日军突破了第四十三军的十八坪阵地。第十四集团军总司令刘茂恩命令第十五军协同第四十三军对日军实施反击。十八坪阵地一度被中国官兵夺回，但日军在攻击中释放毒气，第四十三军不得不撤退，第十七军阵地也随之被日军突破。
日军地面部队迅速向垣曲推进，日军伞兵已抢先投放到垣曲周边。八日晚，日军步兵和伞兵协同攻占了中条山的核心部位垣曲。中条山西部中国守军被日军分割成了互不联系、各自为战的两部分。与此同时，沿着黄河北岸，日军第三十六、第三十七师团和独立混成第十六旅团，在晋东南的夏县至张店间展开，并列向西，攻击中国守军第八十军与第三军的接合部。八日拂晓，日军突破第八十军的右翼阵地，切断了第八十军与第三军之间的联系，然后沿着黄河北岸迅速向东突击，迫使中国军队退守秦家岭、望原等二线阵地。
至此，中条山西部中国守军的防线全面瓦解。日军攻占垣曲后，第四十一师团和独立混成第九旅团以垣曲为核心，分头向东西两面扩展。向东的一路攻占了晋南与豫西交界处的邵源，向西的一部逼近中国军队第五集团军总司令部所在地马村，总司令部匆忙转移到漳南沟。在漳南沟，曾万钟接到卫立煌的电报。电报命令第五集团军南渡黄河撤出战场，并说已派黄河南岸的第八十五师的两个团北渡黄河，占领黄河渡口五福涧以北高地，并提前在河边征集船只，以掩护第五集团军撤退。
但是，第八十五师的两个团还没抵达五福涧，日军独立混成第十六旅团的先头部队提前抵达，经过激战，中国军队的两个团退回到黄河南岸，第五集团军的南撤之路由此被封堵，部队完全陷于日军的包围中，只能独自拼死苦战力图解脱。
中条山北部中国守军，是第十四集团军所属的第十五军、第九十八军、第四十三军以及第九十三军第十师。七日晚，日军第三十三师团和骑兵第四旅团一部，从晋南南岭至阳城一线，向第十四集团军正面阵地发动攻击，八日拂晓突破第四十三军的阵地后，继续向南突进到煤坪。在这里，日军遭到了中国军队第九十八军的顽强抵抗。
中条山战场上的第九十八军由西北军杨虎城部所属陕军一部编成，军长武士敏。武军长跟随冯玉祥多年，受杨虎城、张学良影响很深，主张全民抗日，与共产党人关系融洽，曾与八路军并肩作战。在中条山北面，他指挥官兵顽强作战，仅在王村一处就击溃日军两千多人，毙伤数百人，缴获重机枪十二挺、步枪两百支。第九十八军一直抵抗到十三日，日军得到增援后突破其守卫的董村阵地。第一战区命令第九十八军向西北方向的沁水至翼城公路以北转移，武军长率领部队开始了艰难的突围。
在中条山东部地区实施进攻的，是日军第三十五、第二十一师团以及骑兵第四旅团一部。中国守军是裴昌会的第九军。七日，在飞机和坦克的助战下，日军第二十一师团从豫西的沁阳和博爱出发，第三十五师团和骑兵第四旅团从沁阳以南的温县出发，并列沿着黄河南岸向西突击。中国军队第九军是由浙军和奉军合编而成的部队，曾在忻口会战中与日军苦战，军长郝梦龄不幸殉国。
现任军长裴昌会指挥部队拼死抵挡日军的进攻，其据守沁阳至济源公路的第五十四师七十二团官兵毙伤日军二百多人。八日，日军增援部队抵达，在航空兵的助战下再次猛烈突击，终于突破了第五十四师的阵地，攻占孟县。日军第三十五师团继续西进，与第二十一师团一起合击济源，企图把中国军队第九军包围在济源以东地区。第九军撤出济源既设阵地后，济源城在日军的狂轰滥炸中陷落。军长裴昌会命令第五十四、第四十七师退往济源以西的王屋方向，新编第二十四师主力和第五十四师的一个团固守封门口阵地，独立第四旅和该军指挥的几支游击队在孤山一带打游击。
九日，日军兵分三路追来，新编第二十四师和第五十四师一部在封门口一线与日军激战，双方都伤亡惨重。 午夜，裴军长接到卫立煌的电话，鉴于日军已突入黄河北岸各渡口，河防空虚，命令第九军撤到黄河南岸建立防线，掩护第十四集团军的后方。第九军各师立即向黄河北岸的官阳渡口转移，军直属部队和第五十四师在日军的轰炸中冒险渡河，午夜时分才渡河完毕，而后续部队就不那么幸运了。
十一日，日军的持续轰炸导致黄河渡口的渡河设施和船只全被炸毁，第四十七师和新编第二十四师已无法渡河，不得不退回到王屋至邵源的公路附近。徘徊中，他们试图与第十四集团军取得联系，但第十四集团军正处在日军的南北夹击下。第九军未能渡河的部队只能跑向济源北面的大山里。
至此，日军控制了中条山地区沿黄河北岸的平陆、垣曲、济源、孟县等县城，封锁了黄河北岸中国守军退往黄河以南的所有渡口，彻底完成了对中条山中国军队内外侧的双重包围 。第十四集团军总司令部在第九十三军第十师的掩护下，在中条山里辗转半个月才得以分散突围而出，部队损失惨重，七零八落的幸存官兵有的向南偷渡黄河，有的向北进入山区。
第九十三军主力在日军战机的跟踪轰炸下疲于奔命，十八日抵达太岳山区，在共产党人领导的山西新军的帮助下，经过沁源，越过同蒲路，由临汾渡汾河进入陕西韩城境内，直接归第三十四集团军总司令胡宗南指挥了。豫北的第二十七军在军长范汉杰的率领下，曾试图策应第十四集团军突围，但遭到日军的阻截后，索性全部撤出了晋南地区，向东转入太行山东麓的河南辉县一带。第四十三军军长赵世铃带着他的基本部队经沁水和翼城躲进浮山，其他部队则在日军的包围圈里转来转去，大部队溃散后，少数官兵渡过汾河向西溃逃，后勤人员以及随军家眷在黄河滩上被日军俘虏。