師及第177師之第529旅由五臺山之耿鎮、龍泉關一帶星夜趕赴蘭臺鎮、二十里鋪間，歸衛立煌指揮。

與此同時，日軍汽車400餘輛，滿載步兵，由團城口西進。衛立煌遂決心固守陣地，以等援軍到達，再行反擊。乃令第217、第218旅分別撤至忻口附近集結；第54師界河鋪北岸之一部亦撤至界河鋪以南佔領預備陣地。並以第19軍軍長王靖國為中央兵團總指揮，第61軍軍長陳長捷為副總指揮。是日24時，衛立煌又對部隊部署作了調整，將部隊區分為左地區隊、右地區隊、中央地區隊（即原左、中、右翼兵團），分別配置於張家莊、靈山、界河鋪、大白水、南峪之線陣地，待後續部隊到達，再由兩翼轉移攻勢，包圍殲滅當面之敵。

17日至19日，日軍陸空協同不斷向中央集團軍之靈山、南懷化東北高地、官村、大白水等陣地猛烈攻擊。守軍擊毀其坦克、裝甲車各20餘輛，使日軍攻擊未能得逞。自20日起，日軍先後對中央集團軍各陣地施放大量催淚性毒氣，並向守軍陣地實施爆破。

22日，日軍增援部隊萱島支隊也投入了戰鬥。守軍頑強抗擊，並適時組織反突擊，雙方形成拉鋸戰，戰至11月1日，守軍雖“戰鬥員傷亡三分之二以上”，“日耗兩團上下”＇中國第二歷史檔案館：《抗日戰爭正面戰場》上，1987年版，第510頁。＇，但陣地仍巍然屹立。

還在日軍準備向忻口進犯時，八路軍各部隊即根據中共中央軍委和八路軍總部的部署，向敵側後展開了積極主動的攻擊。第115師獨立團於10月10日夜，攻佔淶源縣城。第120師之第358旅主力於10月8日，夜襲寧武縣城。該師雁北支隊於10月1日襲佔朔縣以北之井坪鎮（今平魯縣城），4日又收復平魯縣城（今平魯鎮）。接著該支隊對同蒲鐵路朔縣至大同段展開破襲戰，10日在辛莊伏擊敵運輸隊，隨即逼近大同。

當日軍主力於10月中旬向忻口陣地發起攻擊後，八路軍向該敵兩翼及後方廣泛展開了游擊戰。

第115師之第344旅主力於10月13日至14日在平型關東北小寨村附近，斷絕日軍交通。

15日，截擊由靈丘方向駛來的日軍汽車130餘輛，並打退該敵一個營的數次反撲，迫其退回靈丘。接著第344旅主力幹當日夜襲團城口，隨後收復平型關及渾源具城。第344旅之第688團於15日夜襲沙河鎮日軍，繳獲大批糧秣和軍用物資。

18日，該團又一舉攻克繁峙。

第115師獨立團和騎兵營等部，則向察南、冀西之敵展開進攻。15日，獨立團於廣靈以南之馮家溝設伏，殲滅日軍步騎兵100餘人，繳獲滿載軍用物資的大車120餘輛、騾馬300餘匹。16日乘勝收復廣靈縣城。隨後收復靈丘、蔚縣、易縣、渾源、陽原等縣城。向冀西挺進之騎兵營等部，於18日克復曲陽縣城。至29日，騎兵營等部又連克平山、唐縣、完具等城，嚴重威脅了日軍平漢鐵路北段的交通。

經20余天的作戰，第115師先後收復縣城10座，切斷了張家口至代縣間日軍後方交通線。

第120師向進攻忻口之日軍右翼及後方展開廣泛襲擊。其第358旅旅部率第715團於10月13日夜向崞縣西南之日軍進擊，一舉攻佔大牛店。隨即於14日乘勝向南北大常、永興村之敵進襲，斃傷日軍120餘人。第358旅之第716團深人日軍側後，打擊敵人的運輸隊。

18日，該團在黑石頭溝公路兩側進行伏擊，斃傷日軍300餘人，擊毀汽車20餘輛。

20日夜，又以一部襲佔雁門關；另一部破壞了廣武至大和嶺間的公路及橋樑，一度切斷了雁門關至忻口的交通。

第359旅（欠第718團）在日軍向忻口陣地發起攻擊之時，星夜由平山地區進至忻口西北側擊敵人。10月23日，該旅在陽明堡西南之王董堡伏擊日軍運輸隊，毀敵汽車7輛。此後，不斷襲擾過往日軍，使敵交通運輸進一步陷入癱瘓。

由於第115師和第120師的積極作戰，使進攻忻口之日軍與大同、張家口的交通中斷，糧、彈、油料等供應斷絕，迫使敵人不得不借飛機來輸送給養。衛立煌10月24日在給蔣介石的密電中稱：“敵自雁門被截斷，糧秣極感困難，現向地方徵發雜糧中。”＇《抗日戰爭正面戰場》上，第505頁。＇

為此，國民政府軍事委員會連電嘉獎，蔣介石於10月17日致電朱德、彭德懷：“貴部林師及張旅，屢建奇功，強寇迭遭重創，深堪嘉