能攻克东泥河，被增援的日军击退。中泥河遂形成突出，正面受敌，第218旅被迫撤回。南怀化方面的日军于拂晓开始向守军1300高地发起攻击；守军顽强抵抗，并多次组织反冲击，经7次反复争夺，终将日军击退，双方形成对峙。
15日晚，兵团长郝梦岭与军长陈长捷协商，决定于16日凌晨2时攻击当面之敌。其部署如下：
1 第54师之第162旅（欠1个团）向官村左前方之敌攻击。
2 第21师之第63旅向南怀化以北之敌攻击。
3 独立第5旅由现地向南怀化东端之敌攻击。
4 新编第4旅务强攻占领南怀化。
5 第54师第322团为向导队，分属于第63旅、独立第5旅、新编第4旅。
6 独立第2旅、第3旅协同右翼各部增援第4旅，向南怀化之敌攻击。
7 第21师之第61旅由1300高地向新练庄东北之敌攻击。
8 第68师由秦家庄、新练庄向前后城头协歼该敌。
9 第10师派兵一部由兰村向后城头协攻。
10 第217及第161旅攻击龙泉庄、下王庄以北之敌。
11 第218旅攻占旧河北后，向南怀化敌背后攻击，第211旅孙兰峰旅长即赴下王庄接替董旅长之指挥。
12 第211旅、第19军之第209旅于金山铺、跑池村集结，为预备队。
13 以上各部队均于16日2时开始行动。
忻口正面日军不断增兵，在中央兵团正面即集中三四万兵力。因此阎锡山于15日电令第18集团军总司令朱德指挥五台山区的部队截断敌后交通，阻敌后续兵力；饬第73师刘奉滨部及第101师李俊功部之第201旅附第399团，迅速轻装赶到忻县，归入预备军序列。
在忻口正面向南怀化反击的5个旅（独5旅、独2旅、独3旅、新4旅及第63旅）于凌晨2时开始攻击，广大官兵英勇战斗。但由于阵地狭窄、地形复杂，天色又暗，战斗力难以充分发挥，双方混战多时，伤亡均重，且无进展。在前沿指挥的第9军军长郝梦龄与第54师师长刘家麒先后中弹牺牲。激战至天亮，双方均伤亡数千人，独5旅旅长郑廷珍壮烈殉国。由于日军拼死顽抗，火力又强，守军除将南怀化以南日军基本肃清外，收复南怀化阵地的意图未能实现。卫立煌指令第14集团军参谋长郭寄峤任第9军军长，第161旅旅长孔繁瀛任第54师师长，并指定第61军军长陈长捷统一指挥中央兵团继续作战。
卫立煌感到此次抗战兵力原非优势，战斗6日，伤亡及半，而日军以汽车300余辆运到援军1万余人；16日战况空前激烈，连失数将，损耗过巨，需增兵以挽战局。遂将此情况电呈军事委员会。旋即接蒋介石电示，告知已令现在潼关一带的第22集团军孙震部兼程驰援。阎锡山亦电告刚由晋冀边区相继抵达龙泉关（平型关南）附近的第94师朱怀冰部及第177师的第529旅由五台山、龙泉关一带星夜赶赴忻县兰台镇、二十里铺，归卫立煌指挥。
16日中午，日军汽车约400余辆满载步兵由团城口西进。卫立煌判断该敌至迟于17日晚将到达忻口前线，认为我军应于该敌未到达前击溃当面之敌，方为有利；但依我军目前状况，殆不可能。遂决定固守现阵地，待援军到达后再转移攻势。各兵团立即转攻为守。第217、第218两旅分别撤至忻口附近集结，第54师界河铺北岸之一部撤至界河铺以南占领预备阵地。
16日夜，卫立煌针对当前战况，调整部署如下：
1 以第94师师长朱怀冰担任独立支队长，立即占领营房里、隘路口及龙王堂两侧高地，主力置于龙王堂东端，应与右地区协调行动，作向原平东北附近地区挺进以直接威胁敌后方的准备。
2 以第15军、第17军（欠第21师）编成右地区队，由第15军军长刘茂恩任总指挥，立即占领张家庄北侧亘西南贾村、灵山、界河铺（不含）阵地，并纵深配备，主要防御方向在灵山方面，与中央地区队紧密联系，坚拒敌人，并在东、西荣华设置前进阵地。
3 以第19军、第35军、第61军、第9军，及第21师、炮兵第28团、战防炮２个连、装甲车1个队编成中央地区队，以第19军军长王靖国、第61军军长陈长捷分任正、副总指挥，应即就现地占领界河铺、官庄、秦家庄（不含）地区阵地，并纵深配备兵力，保持主要防御方向在中央方面，与左、右地区队协力，坚决消灭进犯敌军；在红沟、1300高地至刘庄（不含）地区构筑据点式预备阵地，并应派出兵力迅速歼灭侵入南怀化及以东的残敌。
4 以第14军、第68师、第71师、第85师、炮兵第26团附第2师炮兵营、战防炮营（欠2个连）为左地区队，以第14军军长李默庵任总指挥，应立即就现地占领新练庄（不含）、秦家庄、大白水、卫村、南峪地区的村落及高地，保持主要防御方向在中央。该地区原有的旧练庄、兰村、卫家庄、麻峪等地前进据点仍应确保，并在是庄、小重村、杨胡村间利用村落迅速构筑据点工事。
5 规定新的作战地境。（略）
6 空军仍执行原任务。炮兵队应在井沟、刘庄中间地区占领阵地，以主要火力摧毁敌军炮兵阵地后，支援步兵阻止、歼灭敌人于阵地前方。
卫立煌还命令各部队注意利用高地、村落构成交叉火网，相互掩护，以侧击敌军；利用夜间多派小部队到阵地前方袭扰敌军阵地，并相机占领。
10月17日至19日，日军对南怀化东北高地和官庄高地又发动了数次猛攻，但均被守军击退。日军经过多日的全力进攻，不仅未能攻占忻口阵地，而且在守军的顽强抗击和英勇反击下遭受重创，伤亡及损耗极大，士气和战斗力有所下降，19日后已无力发动全面性大规模的进攻，只能以小部队实施局部攻击。日军“华北方面军”为了加强第5师团的进攻能力，以“中国驻屯步兵旅团”第2联队为基干，配属以战车、工兵、骑兵分队组成萱岛支队，加入第5师团战斗序列，于10月22日到达原平。
10月24日，日军第5师团长将萱岛支队投入战场，再次组织兵力向忻口地区守军阵地发动攻击。这次攻击，日军将重点指向官庄迤南和左翼之南峪、朦腾间阵地。在守军顽强抵抗下，日军攻击毫无进展。26日，日军继续攻击。守军左翼第83师防守的朦腾村阵地于１４时被日军突破。但向中央与右翼守军阵地攻击的日军被阻于守军阵地前，进展甚微，仅突破东、西荣华村阵地。27日，日军从东、西荣花村突破口向守军贾村阵地猛攻。左翼朦腾村北方高地于中午被日军攻占。守军第10师一部反击，将该高地夺回。在争夺这一高地中，两军均有重大伤亡。这一天，整个忻口前线全线激战。日军后来改变战术，以飞机对守军阵地实施轮番轰炸、扫射，并施放催泪性和喷嚏性毒气，掩护其步兵向守军阵地逼进，但也均被守军击退。整个战线又转入了对峙与胶着状态。
由于上海方面战事的发展，日军将“华北方面军”的第6、第16师团和由第5师团一部编成的国崎登支队调往上海作战，日军抽兵增援忻口已十分困难。而在忻口方面，日军兵力已处在无力发动进攻的状态，因此日军被迫将在平津地区担任守备的第109师团步兵第136联队的2个大队及独立混成第1旅团的机械化步兵联队派到忻口增援第5师团作战。
在第14集团军及第7集团军等部队于正面抗击日军的同时，第18集团军各部也根据第二战区会战计划和集团军总司令朱德的命令，在晋东北及晋西北地区展开广泛的袭击战，执行其威胁日军侧背及破坏日军后方交通线的作战任务。
第120师各部队于此期间（10月间），在晋东北收复了井坪、平鲁县城（今为镇）、宁武县城，攻占了同蒲路上的东榆林、马邑、大牛店等要点及雁门关等要地，并破坏了大批桥梁和铁路；在怀仁南的辛庄、雁门关南的黑石头沟、阳明堡南的王董堡等地4次伏击日军运输队，总计歼灭日军1000余人，击毁汽车100余辆，并切断了由大同经雁门关至忻口的日军后方补给线。
第115师各部队于此期间，在晋西北及冀西、察北地区收复了繁峙、浑源、涞源、广灵、灵丘、蔚县、曲阳、平山、唐县、完县等县城，攻占了平型关、紫荆关等要点，在平型关东北的小寨，在广灵、灵丘间的冯家沟截击、伏击，歼灭日军200余人，击毁汽车数十辆、马车百余辆，并多次袭击日军的兵站和据点，切断张家口至代县的后方交通线。
第129师第769团在忻口正面阵地与日军苦战，深受日机轰炸、扫射之苦，10月10日夜，突袭阳明堡日军前进机场，击毁飞机20余架，使日军遭到沉重打击，极大地削弱了忻口当面日军和空中的支援力量，有力地配合了忻口守军的作战。
忻口前线守军与日军对峙了20余日，日军无法前进，其后方及交通运输线又受到第18集团军游击战的严重威胁，陷于被动的境地。但晋东守军防御失利，娘子关、平定、阳泉等地相继失守，部队正在向太原溃退，因此阎锡山于10月31日夜间决定忻口地区的守军全线后撤。11月1日，阎锡山致电卫立煌：“我晋东军因受优势之敌压迫，正逐次向太原以东地区转移中，除已令傅总司令在太原布置城防，以固我资源重地外，希贵部在菜水坞、青龙镇、天门关之线占领阵地，俟敌接近，一举而歼灭之，并协助固守太原之傅（作义）军依城野战，以保卫太原。”〔11〕
11月2日10时，卫立煌遵照阎锡山的电令，下达转进命令：〔12〕
一、 娘子关、平定、阳泉先后失陷，我晋东军受敌压迫，正逐次向太原以东地区转移中。
我第203旅已于曹村、芝郡村、匡村堡、东社村、外涧沟西南10984高地之线占领阵地。
又我66师之第206旅（欠1团）13式山炮1连，18式山炮2门已令于杨家坟、王家山、石岭关、宋川村之线占领阵地，统归总指挥王靖国指挥，掩护军之转进及阵地占领。
二、 军以确保太原、防敌深入、协同友军将其歼灭之目的，拟于本日（2日）夜先向太原以北附近地区转进，占领既设阵地。
三、 我飞行队应于明日拂晓，以全部掩护军之转进。
四、 右地区队应于本日21时起，由现阵地开始分经玉会村、代郡村、南湖村、鸦儿坑、晋庄、城鹊日、赵庄、后李家山、水沟村道及其以东平行路，先向鄯都村、钱家坡一带附近地区行进，明晚续向川套裹、窑子上之线转进，占领阵地，以一部于黄代沟、赵庄之线占领前进阵地。原配属该地区炮兵一部着即归还28团之建制（但须日暮后始得移动）。
五、 中央地区队应于本日日暮直后，酌派一部增加于203旅占领阵地，并另抽第21师迅增石岭关，占领掩护阵地，其余部队于21时起，由现阵地开始分经忻太公路及其两侧平行路，先向石岭关、宋川村一带以南附近地区行进，明晚续向窑子上、青龙镇、周家山之线转进，占领既设阵地。但该地区炮兵集团除着留一连任协力掩护部队外，余于黄昏直后速向前后