而在山西战略要地大同作战的华军，竟然在部队没有及时进入阵地，就被日军快速进军的蒙疆兵团打得七零八落，阵地全线溃散。阎锡山因而无法有效掌控内长城以北防线的状况，气得枪毙了军长李服膺，华军只有不战而退撤离大同，退守内长城防线。（这时只有过内战经验的华军，根本不能了解一支现代化、一流水准的日军之武器、战术运用与其作战速度，因此在刚开始的作战上经常是无法招架日军的攻势。）
这引起在大同东南方作战的日军第五师团，跃跃待试地向山西深入，因为第五师团在南口的平绥铁路作战中，就比不过察哈尔派遣兵团的表现，如今又怎能眼看着察哈尔兵团手到擒来地攻占大同？（事实上，日本关东军与华北方面军一直在为内长城防线，进行“地盘”的争执，关东军总是想控制察哈尔南部与山西北部，造成华北方面军极其不满）。
21.6 平型关大捷的历史真相
第五师团长板垣征四郎本来就是个野心极强的军人，九一八事变占领中国东北就是他“盖世”的功业，如今他那肯低头让人，所以板垣决意深入山西，以抢回被关东军夺去的面子。于是日本第五师团朝向灵邱、平型关以及忻口一线进兵，与蒙疆兵团由大同南下，对太原形成钳形攻势[3]。
同时日本大本营发现华东作战，已经转为新的主力决战地区，日军在上海已经感到兵力分配不足的问题了，因此决定从华北方面军抽调两个半师团（第六师团与第十六师团，以及国崎支队），投入上海作战，这样一来华北方面军就根本不可能在华北发动重大攻势，只有将剩下的部队，改投入山西作战，于是整个华北作战的重心，就“意外”地转向山西，而中国方面最为担心的状况，即日军会以大军越过黄淮平原南下，直扑武汉的作战，日大本营不单是根本就没有认真的设想过，此时也不再有军力加以实施了。
由于蒋介石将固守山西高原，当成华北作战的战略重心，因此调派大量的部队支持第二战区的阎锡山，山西更是阎锡山所经营的“独立王国”，长达二十年以上，当然不容日军轻易得逞。大同既失，华军决心全力在内长城防线，进行固守决战。平型关是这个战线的一个防御重点，刚好日军第五师团，由灵邱向平型关进军，与是阎锡山与傅作义、杨爱源商议，指挥包括中央军、晋军以及八路军，在“平型关[4]”一带进行口袋战术布阵，准备包围与反击日军长驱直入的攻势，以巩固太原的外围防线。
而所谓八路军的林彪一一五师所创下的平型关“大捷”，只是这场作战中的一个小型伏击战而已（单独地伏击到日军一支补给车队）。当时真正防卫平型关的是刘奉滨师，属于孙楚指挥，在他的右翼是刘茂恩军团，高桂滋军，左翼则是傅作义军、陈长捷军，日军的第五师团与第二混成旅团，猛攻平型关阵地，展开血战，日军部队于九月二十一日发动侧翼攻击，越过平型关战线，而深入华军所布置的战线口袋之中，两军陷入激战。
因此当时第六集团军司令官杨爱源，下令所指挥的华军，分成五支部队，开始渗入日军后方，进行搅乱日军在平型关后方的战线，对于日军补给线进行游击战。而其中林彪师共有一万多人，奉命在平型关的东南方，属于右翼助攻部队，进行敌后游击。
九月二十五日凌晨，林彪师以秘密灵活的游击运动方式，在小寨附近的土沟，逼近日军一支营级（大队）的运输补给部队，然后发动近距离的突击，在半天的战斗中，全歼了这支总数在五百人以内，以后勤支持为主的日军部队，仅抓到俘虏一人（后来还是让他逃脱了），俘获步枪两百支而已。只是当时八路军的战报夸张战果，说成林彪一一五师与日军万余人作战，击毙日军四千余人，是与实情有极大的出入。整个平型关作战，是一场硬仗，日军伤亡了四千多人，可是林彪部队并未参与正面的作战，只是在平型关战役中，奉命负责敌后游击任务而打了一场胜仗，但是称之为“大捷”，就太过夸张了，同时也扭曲了平型关作战的整个情势真相。
由于日军第五师团的前锋部队，在平型关附近，竟遭到华军口袋战术的合围，而陷入苦战之中，当然引起日本华北方面军的震动，因此方面军要求由山西正北方南下的蒙疆兵团，兵分二路，一路直接参与平型关作战，以解日军第五师团前锋之围，一路则是绕道越茹口，包抄华军平型关阵地的侧背。在日军支持火力以及生力军的赶到之下，华军为了避免受到日军的包抄，奉命后撤到忻口阵地布防。林彪的部队就此脱离战场与指挥，转进太行山北部，开始建立游击基地，去全力发展共军的实力了。
21.7 激战空前的忻口作战
忻口与雁门关是太原北方的门户险要所在，华军既然从平型关退到忻口，阎锡山就决定在忻口进行保卫太原的决战，他的部署如下，以中央军的卫立煌为主组成中央集团军，以中共的朱德部队为主组成左翼集团军，以杨爱源指挥右翼集团军，以傅作义部队为主组成预备集团军。日军则由板垣率领第五师团以及第二、第十一旅团，直扑忻口。
阎锡山仍然在忻口部署口袋战术，日本第五师团板垣，负责主攻忻口华军阵地，板垣是准备以日军优势的火力与机动力，在空军的支持下，采取中央突破的攻击方式，直扑华军中央集团军的阵地。十月一日起，中日两军在忻口阵地，展开了非常激烈的遭遇战，华军军长郝梦龄，师长刘家琪以及多位旅长，都在忻口阵地壮烈成仁，多处阵地是反复易手；而华军在战力悬殊之下，仍然力战不退，继续据险守住阵地的防线，一直苦战到十一月二日。而进攻忻口的日军第五师团，虽然付出极大的伤亡代价，但是仍然无法越雷池一步。
此时日本的华北方面军，又接到日军在忻口作战，再度受阻的情报之后，寺内寿一大将，只有立刻命沿平汉路南下的日本第一军，派遣部队由石家庄西进，越过娘子关，包围太原，以攻击忻口华军的侧翼，这是日军一个大包抄作战。日本第一军司令官香月清司决定，第十四师团沿平汉路继续南进，但是第二十师团则由石家庄西转，仰攻山西高原，准备闯过娘子关而直接攻击太原，以包抄忻口华军的侧后防线。
而这时华军的孙连仲部，已经转守正太路与娘子关一带防线，因此与日军二十师团发生激战。孙连仲部在十月二十二日，成功地包围在沟关的日军第七十七联队，造成几乎全歼日军的辉煌战果，日军第二十师团也受阻于娘子关一带。于是香月清司只有再下令，抽调日军的一九师团的部队，由北方的侧翼攻击华军阵地，以支持第二十师团，这使得华军在娘子关的作战，受到日军两路的包围，阵地接着被突破，由正太铁路西进的日本第一军部队，终于在十月二十六日攻陷娘子关，华军在太原的西方门户因而洞开，日军准备跟着攻下太原，以包抄在忻口防线的华军。
这时阎锡山知道情势险恶，因此在十一月二日，下令在忻口防御的华军，向南转进，以进行太原城的保卫战，并下令傅作义出任太原卫戍司令。但由于华军从忻口阵地撤退得太迟，通往太原的交通路线又是狭长的山谷地形，在日机猛烈的炸射之下，华军的撤退乱成了一团，完全失去部队建制的完整控制。华军部队在仓皇与混乱中退向太原，日军第五师团卯足全力一路追击，同时日军的第二十师团与一九师团，已在太原东方形成拦腰截击的攻势，华军根本无法按照命令退入防守太原的预定阵地，使得傅作义成为无兵可调的光杆卫戍司令。幸好日华北方面军，为了让第五师团保留攻占太原的颜面，因此下令第二十与第一九师团，暂时勒兵不动，而使得华军有机会越过包围而继续南退，傅作义在空城计下，只防守太原一天，就只有突围而去。十一月七日，日军攻占太原。
这时日军虽然攻占太原，但是仍然没有达成歼灭华军主力的作战任务，因此香月清司下令第二十师团与第一九师团，继续沿着汾河与同蒲铁路，向南追击华军，日军最后一路攻到山西、河南与陕西交界，黄河边的风陵渡。日军经过长距离的战场追击，并没有消灭到华军主力，而此时日军的补给线已经拉得太长，兵力不足的问题也十分严重，而一度四散的华军，开始在日军补给线后方出没攻击，迫使在山西南部的日军收缩战线，以保持战果。
而在平汉路的日军第十四师团，此时也深入到河南北部的漳河，同样的受到补给困难与兵力不足的问题，无法再往南进攻，而华军同样的开始渗入日军阵地的后方，对日军的补给线进行游击战。这正是八路军的作战特长与发展的机会，八路军就在开始山西高原、太行山山麓以及河北、河南丘陵地，迅速地扩大势力，对日军构成游击战的威胁；共军也开始在黄河流域的中下游地区，控制了独立自主的根据地。
而在内蒙的日军，则由新成立的二十六师团（这是因为华北方面军与关东军，强烈争执对于山西北部与长城以南战区主权的争夺，最后迫使东京军部裁示，直接由参谋本部控制二十六师团）以及关东军第一独立旅团，由大同沿平绥铁路西进，由于华军部队多数已经调往山西进行太原会战，因此日军没有受到强烈的抵抗，在十月十七日，一路顺利攻占了平绥铁路的终点包头，日军终于完成对于内蒙大体的控制。