山西省地处黄土高原，雁门关以南，娘子关以西，向东俯瞰华北平原。日军要想统治华北平原，山西是其必争之地。

１９３７年１０月１日，日军突破茹越口、平型关一带的内长城防线后，日军中央部及华北方面军即做好了向山西省会太原进攻的准备。６日，华北方面军向第５师团正式下达进攻的命令。

与此同时，国民政府军事委员会和第二战区也积极进行备战。

１０月１日，国民政府军事委员会命令第１４集团军司令卫立煌率四个半师的主力，由石家庄经正太铁路转赴晋北，以巩固山西防御。以阎锡山为司令长官的第二战区为了扭转晋北作战的败局，决定缩短战线，将兵力集中于宁武、代县、原平一带，利用忻口要隘与敌决战。阎锡山亲自召集了敌情分析会议，制定了忻口作战的方针，决心以主阵地之部队竭力阻止日军前进，以第１８集团军第１１５师、第１２０师分由平型关及雁门关施行包抄，截断日军后方联络线，把敌人包围在原平以北的山地而歼灭之。

山西是八路军出师抗日的地方。中共中央对山西作战非常关注。中央军委副主席周恩来一直同阎锡山保持着频繁的接触，多次参与研究一些重要作战计划。针对阎锡山把作战地区划分为左、中、右三个地区，以主力用在正面防御的作战计划，周恩来建议：在中地区，应以小部队钳制当面敌人，而以主力部队把敌诱到代县、忻口一线，求得侧面出击，消灭敌人，左右两地区的部队则应进行广泛的游击，以牵制敌人。中央军委主席毛泽东也把他对敌情的分析，以及对山西作战的建议电告周恩来，并请他转告国民党军事当局。毛泽东特别指出要保证忻口战役的胜利，必须在龙泉关、娘子关派重兵坚守。

忻口位于太原北部，在忻县、崞县、定襄三县的交汇处，东托五台山，西倚云中山，自古就是战略要地。

１０月５日，第１４集团军先头部队到达忻口，至１２日，各参战部队均已在忻口地区指定区域展开，准备与敌决战。

１０月１０日，日军第５师团开始向忻口前进，１３日向忻口阵地进攻。因两翼有五台山、云中山阻挡，日军集中５０００余人的兵力，在飞机、坦克、大炮的掩护下，采取中间突破的战法，向中国守军阵地发起猛攻，中国军队奋起还击。双方不断投入新的兵力，形成拉锯战。至１１月１日，中国守军虽然伤亡在三分之二以上，但阵地仍然巍然屹立。

　　日军主力向忻口阵地发起攻击后，八路军向日军两翼及后方广泛开展了游击战。在２０多天的作战中，第１１５师、第１２０师切断了张家口至代县日军后方交通线并一度切断雁门关至忻口的交通，迫使日军不得不用飞机输送给养。为此，蒋介石于１０月１７日致电朱德、彭德怀给予嘉奖。１０月１９日凌晨，第１２９师第７６９团成功袭击了日军占据的阳明堡机场，毁伤日军飞机２４架，使日军在忻口战场上一时失去了空中力量。八路军的积极作战，削弱了日军的进攻力量，减轻了国民党军正面防御的压力，起到了暂时稳定战局的作用。

忻口战役打响的同时，中日军队在山西东部的娘子关也展开了激战。娘子关位于山西平定县以东、井陉县以西的正太路上，是晋冀间的要冲，太原的东南门户。１０月１１日，日军发起攻击，中国守军顽强抵抗，至１９日，日军仍然进展缓慢。

从２１日起，日军增援部队逐次到达娘子关一带，以步、炮、空联合，向中国守军阵地展开全线攻击。中国守军虽奋勇抗击，但因连日血战，减员过重，致使防线多处被日军突破。在此紧急情况下，八路军总部命令第１２９师火速向娘子关东南敌之侧后挺进，寻机歼敌，配合友军阻止日军西进。２０日至２４日，１２９师先后在长生口、东石门、马山村等地，打击进犯之敌。随后该师又两次在七亘村伏击敌人。

然而，由于国民党军事当局对娘子关的防御没有引起足够的重视，毛泽东在忻口战役开始前提出的预置重兵防守娘子关的建议，也没有完全被采纳，直至日军逼近后，才调部队进至娘子关仓促组织防御，加之在战略上处处防守，兵力分散，呼应不周，以致没有能够阻止敌人进攻。１０月２６日，娘子关失守，守军全线撤退，晋东战局急转直下。

为了阻止和迟滞日军向太原西进的行动，八路军第１１５师和第１２９师在黄崖底、广阳、户封村等地连续地伏击日军，歼敌１５００多人，为沿正太路撤退的国民党军争取了一星期之久的时间。

但是，从娘子关后撤的国民党军已经不能组织有效的防御，晋东数县相继沦陷。忻口、太原处于日军大包围之中。

为了固守省府太原，阎锡山决定忻口守军全线撤退。晋北日军在获悉忻口守军撤退后，遂跟踪追击。６日，由忻口南下和由正太路西进的日军相继逼近太原城郊。７日，日军在太原附近的狄村、双塔寺等地会合，太原城西汾河河上各桥均为其占领，太原城被四面包围。日军以步、炮联合攻城，并出动飞机对城内狂轰滥炸。第二天，太原城墙被轰开１０多个缺口，日军趁机向城内猛冲，双方展开激烈的巷战。入夜，中国军队因伤亡惨重，被迫撤出战斗，太原陷落。

从１０月初到１１月上中旬，中国军队为保卫山西，同日军激战一个多月，共毙伤日军２万余人。在整个作战过程中，中国军队官兵英勇顽强，前仆后继，表现了中华民族不屈不挠的斗争精神。虽然由于国民党军事当局在作战指导上有严重失误，特别是对娘子关防御重视不够，最后导致战役全局陷于被动而失败，但是它仍然可以称得上是抗战初期华北战场上规模最大、战斗最激烈、持续时间最长、战绩最显著的会战之一。在整个战役过程中，共产党领导的八路军在敌侧后进行了一系列战斗，有力地配合了国民党军的正面作战。因此山西作战也是国共两党合作抗日的一个典范。