22日，日军开始进攻，遭到守军的顽强抗击，顿兵关前。25日，日军第5师团第21旅团野战炮兵大队及师团辎重部队向平型关增援，在平型关以东的小塞村附近，被设伏该地的第18集团军第115师包围，全部被歼。日察哈尔派遣兵团于当日下令，命第2、第15混成旅团及独立第1混成旅团，分别由大同，怀仁、右玉南下，增援第5师团。平型关方面，日军连日猛烈攻击，均被守军击退。到29日，日军南下的3个旅团，分别突破第61军在长城沿线、第34军在茹越口、骑兵第1军在平鲁等地的防线，攻占了平型关以西的铁角岭、繁峙，朔县。

    平型关的中国军队，为避免彼敌包围，于30日拂晓，向五台山区转移。

    日军攻占平型关后，第5师团继续西进，与占领繁峙之第15混成旅会合后，于10月1日攻占代县。日本参谋本部根据中国正集中兵力于上海战场，未再向华北战场增派兵力，大同以北、以西地区的守军兵力薄弱，正由晋北后撤，而其第1、第2军及察哈尔派遣兵团进展顺利的情况，于10月1日命令华北方面军“以一部兵力进占太原”，并令关东军将察哈尔派遣兵团的2个旅团转隶华北方面军。华北方面军令第5师团长板垣征四郎负责指挥。所属部队有该师团之第21旅团、第9旅团之步兵第11联队；察哈尔派遣兵团转隶来之混成第2、第15旅团；中国驻屯军步兵第2联队、堤支队（2个步兵中队、1个机枪中队、1个步兵炮队、1个装甲汽车队），第2联队及骑兵、工兵各1个中队。总计步兵约24个大队、骑兵6个大队、各种大炮95门（山炮21门、野炮44门、轻榴弹炮20门、150毫米榴弹炮8门，150毫米加农炮2门）、战车数十辆。为掩护部队集中和整顿，板垣令混成第2，第15旅团继续向撤退之中国军队进攻，师团主力拟于10月13日开始进攻。

    中国军队放弃平型关后，晋北形势危急。中国统帅部于10月1日急令第一战区之第14集团军总司令卫立煌，率4个半师，由石家庄经正太路车运太原，转赴晋北，兼程驰援。第二战区将准备在忻口地区抗击日军的部队编为4个集团军：右翼军（第18集团军总司令朱德），辖第115、第129、第73、第101师，新编第2师；中央军（第14集团军总司令卫立煌），辖第9、第14、第15、第17军（每军2个师），第19军（2个师又1个旅），第85、第94、第177、第42师，独立第5旅，炮兵第5团，炮兵第23、第27。第28团（各欠1个营）及1个战车防御炮营，1个装甲车队；左翼军（第6集团军总司令杨爱源）辖第68、第71、第120师，独立第7旅及炮兵3个营；总预备军（第7集团军总司令傅作义），辖骑兵第1、第2军，第34，第35，第61军，第66师，独立第1旅，炮兵第21、第22团及炮兵第25团第2营，战区直辖空军北正面支队（4个飞行中队，10月12日归人中央集团军序列）。

    战区制定的忻口会战方针是：“1.本战区以攻势防御之目的，以主力占领蔡家岗、灵山、界河铺、南怀化、大白水、卫家庄、1482高地迄阳方口既设阵地线，两翼依托五台及宁武各山脉，缩短战线，集中兵力，对侵入之敌乘其立足未稳，迅速击灭之。2.以一部占领五台山、罗圈沟、峨口至峪口之线，另以主力之一部占领中解村、阳明堡、虎头山、黑峪村之线，竭力阻止敌之前进，不得己时，撤据崞县、原平、轩岗一带，逐次消耗敌之实力，以掩护大军之集中。”

    战区的兵力部署是：以右翼军在五台山、罗圈沟至峪口之线占领阵地；中央军在蔡家岗至1482高地之线占领阵地；左翼军在黑峪村迄阳方口之线占领阵地；总预备军控制定襄、忻县一带，策应各方。

    10月1日，日军混成