主力到達忻口，佔領忻口東西一線陣地。

12日，第2戰區又令第7集團軍總司令傅作義率第35軍及第61軍之獨立第2、第3旅等部開赴忻口一帶，協助中央集團軍作戰。中央集團軍總司令衛立煌將先後到達忻口地區的部隊區分力三十兵團：以第15軍軍長劉茂恩指揮第15、第17軍為右翼兵團；以第9軍軍長郝夢齡指揮第19、第35、第61、第9軍為中央兵團；以第14軍軍長李默庵指揮第14軍及第85、第66、第71師為左翼兵團。各部隊由衛立煌統一指揮，在12日前展開於忻口以北龍王堂、南懷化、大白水、南峪之線，準備與敵決戰。（見附圖2）

日軍在10月8～11日佔領崞縣、原平後，企圖一舉攻佔忻口，直趨太原。

10日，其第5師從代縣向忻口前進。12日，日軍各部隊集結於原平附近。板垣徵四郎將混成第15旅及堤支隊等部編為右翼隊，第5師力左翼隊，於13日開始向忻口陣地攻擊。因兩翼有五臺山和雲中山相阻，日軍集中5000親人兵力，在飛機30餘架、坦克50餘輛、炮50餘門掩護下，採取中間突破的戰法，向中央兵團第9軍第54師之南懷化陣地及左翼兵團之閻莊陣地發起猛攻。戰至10時許，南懷化沿河工事被毀，守軍傷亡殆盡，日軍乘機渡河，突破南懷化陣地。郝夢齡即以第17軍第21師兩個團增援堵擊，衛立煌派第14軍之第10師及第61軍新編第4旅協力夾擊突入之敵。激戰終日，斃傷日軍3000餘人，擊毀坦克22輛，恢復南懷化東南高地。向閻莊進攻之敵，至黃昏時，增加到3000餘人，突破守軍前沿陣地。

13日夜，衛立煌組織部隊向日軍實施反擊，企圖圍殲突入之敵。14日2時，反擊開始後，中央兵團之第35軍第218旅向南懷化以北之弓家莊日軍反擊。日軍1000餘人則向第9軍第54師之第161旅下王莊陣地攻擊。第218旅以一部增援第161旅，旅長董其武率另一部繼續向弓家莊日軍反擊，7時攻克弓家莊。8時，日軍1000餘人，坦克10輛在飛機15架、炮20餘門的掩護下，向下王莊至弓家莊一線反撲。守軍連續打退敵人四次衝鋒，董其武身受重傷，仍率部將日軍擊潰。在中央兵團對南懷化附近日軍開始攻擊之際，日軍亦增兵向南懷化反撲，戰鬥甚為激烈。經一日激戰，南懷化陣地又為日軍佔領。右翼兵團經一日激戰，於20日將當面日軍壓迫於滹沱河東岸至靈山腳下一帶；左翼兵團於拂曉攻佔舊練莊，遇日軍增援部隊反撲，激戰終日，成對峙狀態。

14日20時許，衛立煌親率獨立第5旅至忻口督戰，將指揮關係作了調整：由第61軍軍長陳長捷指揮第21師、獨立第2、第3旅（欠第4團）及新編第4旅，負責肅清南懷化之敵；由郝夢齡指揮第54師附第217、第218旅及獨立第3旅之第4團等部，擔任忻口——正面守備及向當面之敵反擊。

15日，忻口正面守軍向中泥河、東泥河之敵反擊，曾一度攻佔中泥何，但在日軍增援到達後，被迫撤回。攻佔南懷化之日軍，自拂曉起，繼續向1300高地攻擊，情勢極為嚴重。左、右翼兵團經一日激戰，仍與日軍處於對峙狀態。

衛立煌鑑於南懷化為全線鎖鑰，關係忻口戰役的全域性，遂決定集中第21師、獨立第2、第5旅及新編第4旅等部共5個旅的兵力，殲滅南懷化日軍；並以第68師由秦家莊、舊練莊向前後城頭行動，夾擊該敵。限於16日零時前後開始攻擊。

閻錫山得知當面之敵增加，恐中央集團軍兵力不足，遂電令朱德總司令指揮所屬截斷敵後交通，以阻敵續增；並即派第73師及第101師之第201旅等部，迅速輕裝赴忻縣，歸傅作義指揮。

16日2時，南懷化陣地反擊戰正式展開。第218旅由弓家莊向南懷化敵側背攻擊，7時攻佔舊河北，9時佔領南懷化北端河岸。是時，日軍飛機10餘架，協助其地面部隊一再反撲，終被擊退。

郝夢齡率部向佔領南懷化之敵奮勇反擊，陣地得而復失、失而復得，戰鬥異常激烈。經晝夜激戰，佔據南懷化以南之日軍，大部被殲。此戰，日中雙方軍隊均傷亡數千人，第9軍軍長郝夢齡中將（犧牲後被迫晉為上將）、第54師師長劉家琪少將（犧牲後被迫晉為中將）、獨立第5旅旅長鄭廷珍少將等，均壯烈殉國。

連日鏖戰，部隊傷亡慘重，衛立煌除派陳長捷統一指揮中央兵團各部隊繼續作戰外，並電呈蔣介石，請求迅籌援軍。蔣介石即派第22集團軍之第41軍由潼關一帶兼程馳援。閻錫山也急令第94