腹背受敌，卫立煌忍痛“走麦城”忻口会战杀得天昏地暗，双方军队伤亡惨重，中国军队郝梦龄将星陨落，晋绥军第19军、第35军、第61旅等数10个团战斗最激烈时，在正面2里宽的战线上，从拂晓到黄昏，一天之内就损失了10个团的人马。在长达23天的会战中，日军受到重创，死伤也在万人左右。第5师团、第42联队等部队被歼灭。
阎锡山在指挥忻口会战期间，曾和晋军将领扬爱源、孙楚等人，每日下午乘坐小车，亲临前线坐镇，并调遣一个宪兵大队，随执法总监张培梅在前线督战。
南怀化战斗继续在激烈进行，郝梦龄遗留下来的中央兵团总指挥职务，由陈长捷继任，陈长捷打得很坚决，在南怀化以南，双方展开了拉锯战。中国守军顽强奋战，寸土不让，晋军用太原兵工厂自制的80000多发炮弹猛烈回击日军，山西造的手掷弹、手雷也发挥了极大威力，日军无数次冲击，都被守军打下去了。当地成百上千的老百姓自发地组织起来支援前线，抬伤员、挖战壕，和士兵们一起在战火中穿梭。当守军的手掷弹、手雷打光时，各村百姓纷纷将自己家藏的刀、矛、钢叉等武器送给战士们，和敌人展开肉搏。在华北战场上演出了一幕前所未有的全民抗日的壮烈场面。
朱德、彭德怀指挥的八路军，为了配合忻口会战，在敌后广泛开展游击战。第115师连克雁北、冀西的灵邱、涞源、阜平等城，截断了忻口之敌与后方的联系。第120师在晋北、晋西北进行了几十次战斗，几度占领雁门关，截断了大同、雁门关一带的日军交通补给线。第129师进军代县，在忻口日军阵地后方袭扰，给忻口日军造成威胁。
忻口的战斗在激烈进行，中国守军上下一心，不怕牺牲，但是，在日军优势装备面前，中国军队明显处于劣势。中国军队没有空军，支援高射炮又很少，日机大摇大摆地在中国守军阵地上空俯冲扫射、投弹，守军伤亡惨重。卫立煌接二连三给南京发电，要求派空军前来助占。
守军眼巴巴地眺望天边，盼着涂有青天白日的中国空军飞机出现。左等右等，南面天边终于出现了3个小黑点，接着又是3个。6架飞机呼啸着掠过中国守军的头顶，向日军阵地俯冲投弹，日军阵地顿时腾起阵阵炸弹爆炸的浓烟。
还没等中国守军阵地的欢呼声落地，成群的日机像蝗虫一样围了上来，中国空军飞机一看寡不敌众，掉头就跑，从此再也不露面了。日军飞机从此更加肆无忌惮。
八路军129师769团24岁的陈锡联团长来到代县以南的滹沱河东岸，见日军飞机从早到晚不断从附近飞往忻口轰炸，就化装成老百姓，亲自下山去侦察。一出沟口，就看见了日军新建不久的阳明堡临时机场。于是，决定夜袭机场，炸毁敌机。
10月19日夜里，八路军1个连趁黑夜突袭日军机场，将停在机场的24架飞机全部焚毁。
从此，中国守军阵地上一连数日见不到日本飞机肆虐的影子，在一段时间内解除了中国守军的空中威胁。卫立煌对八路军的战绩赞不绝口。阎锡山也以第2战区司令长官的名义对八路军明令嘉奖。
日军自忻口战役开始以来共发起6次总攻，中国军队凭着血肉之躯抵挡日军的飞机大炮，付出了高昂代价。陈铁的第85师是卫立煌的最基本的队伍，也是忻口战场上中国方面装备最好的1个师。从左翼调到南怀化正面以后，日军发现从没见过的戴钢盔的中国兵来了，集中空军的炮兵猛烈轰击。打了几天，最后只剩下1营人了。
但是从10月24日开始，战场形势发生了变化，日军出动的战车大为减少，炮击也减少了。虽然又有飞机出动，但是只是向日军阵地空投军用品。
原来，因为八路军在敌后切断了日军的后方供应线，使日军的汽车、弹药、粮食供应不上，战车自然动不了，大炮成了摆设。这段时间，日军师团长受伤，旅团长战死，日本华北派遣军总司令寺内寿一不得不亲自飞到忻口前线为部下们打气。
眼看着忻口战役僵持不下，日军被迫放弃突破忻口占领太原的计划，改由正太铁路西进。进攻娘子关。
原先在平汉线上的第1战区刘峙等，畏敌如虎，第一次从永定河一线一退数百里，退到了平山滹沱河一线；第二次又是一退数百里，退到河南安阳漳河一线。平汉线上中国军队的迅速溃退，使日军兵不血刃占领石家庄，山西东面的门户娘子关外的大门就此敞开了。
指挥娘子关方面守军的第2战区副司令长官广西将领黄绍，自己没带一兵一卒，率领川峡、云南等省部队8个师，一字排开，分散配置在从北到南150公里的一条防御线上，没有重点，没有后备力量。结果日军先攻旧关，突破一点，全线就崩溃了。日军川岸师团没费什么劲就从正面拿下了娘子关。
在忻口战役开始时，卫立煌有过歼灭板垣师团于云中河谷的设想。交锋不久，他就发现这一计划显然难以完全实现。如今硬拼下来，没想到真的来了转机，八路军在敌后和卫立煌指挥的会战大军南北夹击，形成了对日军南北包围的态势，顿时，使正面战场的中国守军活跃起来。卫立煌兴奋起来：虽然我军装备差，久战疲劳，伤亡很大，攻坚力量有限，要想把忻口下面这么多日军一口吃掉是办不到的，但是，拖垮敌人，多杀一些日军，还是能做到的。这不就是争取胜利的转机么？
然而，贪生怕死的刘峙部队的溃退，打碎了卫立煌的梦想。瞬息万变的战局，突然带来了一个不祥的消息，忻口将士们最不希望发生的事情，终于发生了，攻入娘子关的日军已经从晋东杀奔太原而来。中国军队夹击板垣师团的计划还没实现，日军却以更大的钳形攻势直捣中国军队的后背。
蒋介石急忙命令正在晋南榆杜休整的汤恩伯去榆次，挡住从娘子关来的日军，可是这个蒋介石的爱将这次却不敢听令。
10月下旬，从娘子关攻入的日军先后攻占昔阳、平定、阳泉、太原告急。忻口阵地眼看就要陷入日军的大包围中。没办法，卫立煌只好在11月2号下令全部后撤。
阎锡山对忻口会战未取得预期效果有点耿耿于怀，在他的《忻口战役》一诗中说：
“忻口布防得从容，
激战南怀血染红。
假使娘关不失败，
岂止廿三任敌攻？”
但是，不管怎么说，忻口战役仍然是抗日战争正面战场的一次壮举。《西安文化报》说，“（忻口战役）是华北抗战数月中仅有的一次光荣战争……予敌人以严重打击，为民族增无限光荣。”《华北前线》登载英国记者贝特兰的报道：“忻口战役是华北抗战高潮的标志，是标志抗战前途的一个很有意义的吉兆。”