12日拂曉，日軍以飛機支援，戰至18時，井陘亦被攻陷。長生口、大小龍窩等地也相繼被日軍佔領。據此，閻錫山急令孫連仲率部掉頭東返娘子關，加強該線防守。

13日晨，日軍繼續西犯。大小尤窩之敵1000餘人向第17師右翼舊關猛攻，戰至14時將舊關攻陷。並陘之敵則向第17師正面雪花山陣地攻擊，守軍奮勇阻擊，敵未得逞。為遲滯日軍的進攻，當夜，第17師師長趙壽山率部趁夜幕向長生口之敵出擊，正當部隊攻擊進展順利之際，不意雪花山陣地被日軍攻佔。趙壽山立即調部隊反擊，激戰至拂曉，部隊傷亡逾千人，陣地仍未恢復，不得不退守乏驢嶺一帶。

在雪花山一帶戰況緊急之時，黃紹竑即令第3軍主力向左轉移，以策應第17師作戰，其第12師於13日夜移至新關一帶。與此同時，孫連仲率部抵達娘子關。

14日，第27師等部向舊關、核桃園及大小龍窩等地日軍反擊，曾一度攻佔核桃園及大小龍窩。15日1時，閻錫山決定娘子關附近作戰由孫連仲統一指揮，並限令16日消滅舊關之日軍。15日拂曉，第12師向王家嶺及舊關東南地區日軍攻擊；第27師圍殲夫溝附近之敵。經兩日戰鬥，守軍共斃傷日軍第20師之第77團團長鯉登行一上校以下500餘人。

16日，守軍向舊關等地日軍發起全線總攻，戰至19日，守軍殲敵2000餘人，攻擊雖有進展，但自身傷亡已近5000人，且第17師陣地乏驢嶺被日軍攻佔，遂不得不停止攻擊，撤回原陣地。

日軍對忻口正面攻擊受阻，娘子關方面攻擊進展緩慢，其華北方面軍遂令第1集團軍“部署精銳的一部迅速突破正太線方面的敵陣地。”此外，命令第109師的一部“21日入列第1軍的指揮下，以協助攻佔太原平原。”據此，第1集團軍司令官於“19日命令第二十師以全力擊敗當面之敵，攻佔陽泉平原；又在21日部署歸其指揮的第一百零九師的一部（稱為“昔陽支隊”），沿贊皇——九龍關——昔陽大道進攻昔陽。”＇〔日〕《中國事變陸軍作戰》（1），朝雲新聞社，1983年版，第369～370頁。＇

第20師根據上述命令，將部隊分為兩個縱隊：以右縱隊沿井陘—新關—石門口大道及其以北攻擊；以左縱隊沿微水鎮（今井陘縣城）—測魚鎮—石門口大道地區前進。

自21日起，日軍增援部隊逐次到達娘子關一帶，以步、炮、空聯合，向守軍陣地展開了全線攻擊。守軍將士雖經頑強抗擊，但因連日血戰，部隊減員過重，致使防線多處被日軍突破。為此，孫連仲於22日電陳閻錫山，請速調生力軍增援。

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後挺進，尋機殲敵，配合友軍阻止日軍西進。該師於10月18日抵達平定以東。

20日至24日，先後在長生口、東石門、馬山村等地，打擊進犯之敵。

25日，第129師師長劉伯承決定以第386旅伏擊日軍第20師約1000餘人的輜重隊。26日拂曉前，旅長陳賡令第772團第3營在七亙村至甲南峪間地區設伏。9時許，敵進入伏擊區，第3營向其本隊發起猛烈攻擊，經兩小時激戰，斃日軍300餘人，繳獲騾馬300匹和大批軍用物資，其餘日軍逃回測魚鎮。劉伯承判斷日軍輜重隊必將沿原定路線繼續西進，決定第386旅在七亙村再次伏擊敵人。28日，日軍果然以步騎兵400餘人掩護其輜重部隊經原道西進，11時許進入伏擊區。第772團第3營突然發起猛烈衝擊，戰至黃昏，殲日軍100餘人，繳騾馬數十匹，再次打擊了進犯之敵。

然而，對娘子關方面的防禦，一直沒有引起國民黨軍事當局的高度重視，毛澤東在忻口戰役開始前提出的預置重兵加強娘子關防守的建議，也沒有被完全採納，直至日軍逼近後，才調部隊進至娘子關倉卒組織防禦。加上國民黨軍“在戰略上處處防守，兵力分散，此打彼看，不知呼應。緊張方面緊打，兵力不足；無敵地區無事，遊兵閒散。”＇蔣緯國：《抗日御侮》第4卷，第231頁。＇　以致未能有效地阻止敵之進攻。

10月26日，娘子關失陷，守軍全線撤退。

30日，日軍佔領陽泉、平定後沿正太路及其南側大道向太原、榆次繼續進犯。晉東戰局急轉直下。

為了打擊進犯之敵，阻止和遲滯日軍的西進行動，八路軍總部於10月28日率第115師師部及第343旅由五臺地區南下，30日抵達平定西南地區，統一指揮第12