山西省地處黃土高原，雁門關以南，娘子關以西，向東俯瞰華北平原。日軍要想統治華北平原，山西是其必爭之地。

１９３７年１０月１日，日軍突破茹越口、平型關一帶的內長城防線后，日軍中央部及華北方面軍即做好了向山西省會太原進攻的準備。６日，華北方面軍向第５師團正式下達進攻的命令。

與此同時，國民政府軍事委員會和第二戰區也積極進行備戰。

１０月１日，國民政府軍事委員會命令第１４集團軍司令衛立煌率四個半師的主力，由石家莊經正太鐵路轉赴晉北，以鞏固山西防御。以閻錫山為司令長官的第二戰區為了扭轉晉北作戰的敗局，決定縮短戰線，將兵力集中于寧武、代縣、原平一帶，利用忻口要隘與敵決戰。閻錫山親自召集了敵情分析會議，制定了忻口作戰的方針，決心以主陣地之部隊竭力阻止日軍前進，以第１８集團軍第１１５師、第１２０師分由平型關及雁門關施行包抄，截斷日軍后方聯絡線，把敵人包圍在原平以北的山地而殲滅之。

山西是八路軍出師抗日的地方。中共中央對山西作戰非常關注。中央軍委副主席周恩來一直同閻錫山保持著頻繁的接觸，多次參與研究一些重要作戰計劃。針對閻錫山把作戰地區劃分為左、中、右三個地區，以主力用在正面防御的作戰計劃，周恩來建議：在中地區，應以小部隊鉗制當面敵人，而以主力部隊把敵誘到代縣、忻口一線，求得側面出擊，消滅敵人，左右兩地區的部隊則應進行廣泛的游擊，以牽制敵人。中央軍委主席毛澤東也把他對敵情的分析，以及對山西作戰的建議電告周恩來，并請他轉告國民黨軍事當局。毛澤東特別指出要保證忻口戰役的勝利，必須在龍泉關、娘子關派重兵堅守。

忻口位于太原北部，在忻縣、崞縣、定襄三縣的交匯處，東托五臺山，西倚云中山，自古就是戰略要地。

１０月５日，第１４集團軍先頭部隊到達忻口，至１２日，各參戰部隊均已在忻口地區指定區域展開，準備與敵決戰。

１０月１０日，日軍第５師團開始向忻口前進，１３日向忻口陣地進攻。因兩翼有五臺山、云中山阻擋，日軍集中５０００余人的兵力，在飛機、坦克、大炮的掩護下，采取中間突破的戰法，向中國守軍陣地發起猛攻，中國軍隊奮起還擊。雙方不斷投入新的兵力，形成拉鋸戰。至１１月１日，中國守軍雖然傷亡在三分之二以上，但陣地仍然巍然屹立。

　　日軍主力向忻口陣地發起攻擊后，八路軍向日軍兩翼及后方廣泛開展了游擊戰。在２０多天的作戰中，第１１５師、第１２０師切斷了張家口至代縣日軍后方交通線并一度切斷雁門關至忻口的交通，迫使日軍不得不用飛機輸送給養。為此，蔣介石于１０月１７日致電朱德、彭德懷給予嘉獎。１０月１９日凌晨，第１２９師第７６９團成功襲擊了日軍占據的陽明堡機場，毀傷日軍飛機２４架，使日軍在忻口戰場上一時失去了空中力量。八路軍的積極作戰，削弱了日軍的進攻力量，減輕了國民黨軍正面防御的壓力，起到了暫時穩定戰局的作用。

忻口戰役打響的同時，中日軍隊在山西東部的娘子關也展開了激戰。娘子關位于山西平定縣以東、井陘縣以西的正太路上，是晉冀間的要沖，太原的東南門戶。１０月１１日，日軍發起攻擊，中國守軍頑強抵抗，至１９日，日軍仍然進展緩慢。

從２１日起，日軍增援部隊逐次到達娘子關一帶，以步、炮、空聯合，向中國守軍陣地展開全線攻擊。中國守軍雖奮勇抗擊，但因連日血戰，減員過重，致使防線多處被日軍突破。在此緊急情況下，八路軍總部命令第１２９師火速向娘子關東南敵之側后挺進，尋機殲敵，配合友軍阻止日軍西進。２０日至２４日，１２９師先后在長生口、東石門、馬山村等地，打擊進犯之敵。隨后該師又兩次在七亙村伏擊敵人。

然而，由于國民黨軍事當局對娘子關的防御沒有引起足夠的重視，毛澤東在忻口戰役開始前提出的預置重兵防守娘子關的建議，也沒有完全被采納，直至日軍逼近后，才調部隊進至娘子關倉促組織防御，加之在戰略上處處防守，兵力分散，呼應不周，以致沒有能夠阻止敵人進攻。１０月２６日，娘子關失守，守軍全線撤退，晉東戰局急轉直下。

為了阻止和遲滯日軍向太原西進的行動，八路軍第１１５師和第１２９師在黃崖底、廣陽、戶封村等地連續地伏擊日軍，殲敵１５００多人，為沿正太路撤退的國民黨軍爭取了一星期之久的時間。

但是，從娘子關后撤的國民黨軍已經不能組織有效的防御，晉東數縣相繼淪陷。忻口、太原處于日軍大包圍之中。

為了固守省府太原，閻錫山決定忻口守軍全線撤退。晉北日軍在獲悉忻口守軍撤退后，遂跟蹤追擊。６日，由忻口南下和由正太路西進的日軍相繼逼近太原城郊。７日，日軍在太原附近的狄村、雙塔寺等地會合，太原城西汾河河上各橋均為其占領，太原城被四面包圍。日軍以步、炮聯合攻城，并出動飛機對城內狂轟濫炸。第二天，太原城墻被轟開１０多個缺口，日軍趁機向城內猛沖，雙方展開激烈的巷戰。入夜，中國軍隊因傷亡慘重，被迫撤出戰斗，太原陷落。

從１０月初到１１月上中旬，中國軍隊為保衛山西，同日軍激戰一個多月，共斃傷日軍２萬余人。在整個作戰過程中，中國軍隊官兵英勇頑強，前仆后繼，表現了中華民族不屈不撓的斗爭精神。雖然由于國民黨軍事當局在作戰指導上有嚴重失誤，特別是對娘子關防御重視不夠，最后導致戰役全局陷于被動而失敗，但是它仍然可以稱得上是抗戰初期華北戰場上規模最大、戰斗最激烈、持續時間最長、戰績最顯著的會戰之一。在整個戰役過程中，共產黨領導的八路軍在敵側后進行了一系列戰斗，有力地配合了國民黨軍的正面作戰。因此山西作戰也是國共兩黨合作抗日的一個典范。