在此紧急情况下，八路军总部令第一二九师火速向娘子关增援。该师于10月18日进抵平定以东后，即向娘子关东南日军之侧后挺进，寻机歼敌。22日夜，第一二九师第三八八旅第七七二团袭击娘子关以东长生口之日军，毙伤其30余名。此时，日军左纵队已迂回向平定方向前进。第三八六旅第七七一团即迎敌而进，23日在东石门阻击敌人，毙伤日军200余人；24日在马山村等地袭击敌人，毙伤其百余名。26日，第三八六旅旅长陈赓亲率第七七二团在东石门以西设伏。当日军第二十师辎重部队800余人在其200余名步兵掩护下进入伏区时，伏击部队从大道南侧的高地以猛烈火力袭击敌人，随即与敌人展开激烈搏斗。经2小时激战，击毙日军300余人，缴获骡马300余匹和大批军用物资。28日该团在七亘村再次伏击敌人，毙敌百余名，缴获骡马数十匹。

    由于日军左翼迂回纵队屡遭打击，进展迟缓，进攻娘子关之日军得不到策应，攻击未奏效。25日日军乘中国守军换防之际，全线发起进攻。守军猝不及防，连失阵地，26日娘子关失陷，晋东战局急转直下。日军主力沿正太路及其南侧，分数路西进，守军接连后退，形势危急。为阻止和迟滞日军迅速西进，暂时稳定晋东战局，八路军总部于10月28日率第一一五师师部及第三四三旅由五台南移，30日到达平定西南地区。11月2日，第一二九师第三八六旅在师长刘伯承、旅长陈赓率领下，于昔阳东南之黄崖底一带伏击，向昔阳进犯日军一个营被毙伤300余人，战马300多匹。4日，一一五师第三四三旅在旅长陈光指挥下，对进至广阳的日军辎重队进行攻击，歼灭日军近千人，缴获骡马700余匹、步枪700余支和大批军用物资。7日，第一二九师主力还在第一一五师一部配合下，于广阳以东之户封村伏击敌人，毙伤日军250余人。与此同时，八路军第一二九师和第一一五师还配合国民党军队抵抗日军的追击，协助曾万钟部、邓锡侯部和王奇峰骑兵第四师等突破日军的包围，脱离险境。

    日军于10月29日占领正太铁路附近之平定，继续西犯。11月1日，阎锡山命令忻口作战部队放弃阵地，向太原城北青龙镇、天门关之线转移，协同傅作义防守太原。11月6日，晋北、晋东之敌均迫近太原城下，从三面猛攻太原城垣。敌机轮番轰炸，太原城内一片火海，守军伤亡惨重。7日，日军东、北两路在太原会师，对太原形成四面包围。8日，日军在飞机、大炮支援下，继续攻城，突破城垣东北角及西北角。东北两城守兵誓死不退，一面拼杀入城之敌，一面封锁城墙各口。敌我皆争取最后胜利，死亡异常惨重。由于守军的奋勇截击，将进城之敌击退。黄昏后，日军向城内空降大批兵力，并四出袭击。21时，守军不得不从南门突围，太原城遂陷于日军之手。

    忻口、太原保卫战坚持了1个多月。由于中国军民（包括国民党军队和共产党军队）的英勇战斗，给日军精锐的坂垣第五师以沉重的打击。此次战役，共毙伤日军两万之众，中国守军伤亡约7.5万人（其中八路军伤亡约6000人）。这一战役虽因国民党军事当局在作战指导上有严重失误，导致娘子关作战失利，使日军得以由被动转为主动，攻占了太原，但仍不失为华北地区抵抗最坚决、最持久，战绩最显著的会战之一，而且是国共双方军队配合得最好的一次会战。