南口张家口战役后，日本关东军察哈尔派遣兵团独立混成第1旅团一部共1500余人于1937年9月13日占领山西大同，立即以一部向丰镇(今属内蒙古)进攻，主力向雁北地区进攻。

日军第5师团从河北宣化、新保安西下，连陷广灵、灵丘、浑源等晋东北城镇。

9月下旬，日军统帅部命板垣征四郎率第5师团及察哈尔派遣兵团主力共5万余人进攻山西内长城防线，企图向太原城发起进攻。

中国第二战区司令长官阎锡山指挥所部退守内长城的平型关、雁门关、神池一线。

以第6集团军总司令杨爱源为右地区总司令，指挥3个军防守平型关东西一线。

以第7集团军总司令傅作义为左地区总司令，指挥4个军防守雁门关东西一侧。

以第71、第72师为预备军，位于繁峙;令第18集团军(八路军)朱德总司令以第115、第120、第129师分别驰援平型关、雁门关、五台山配合作战。

1937年夏末，在日本关东军参谋长东条英机指挥下的关东军察哈尔兵团(后称蒙疆兵团)在多伦设立指挥部，以四个旅团附有伪蒙军九个骑兵师由察哈尔(分内蒙古东南部)沿平绥路进犯蒙疆。

平汉路之日本侵略军第五师团在师团长板垣征四郎指挥下，由怀来经蔚县、涞源向保定策应作战。

中国方面，国民政府第二战区以各一部在蔚县、平型关间及天镇、阳高进行抵抗，以主力在大同附近集结，准备在聚乐堡与日本侵略军决战。

日军自9月5日向西进攻至24日，仅二十天，便占领了天镇、阳高、大同、集宁各城市和大片地区。

天镇作战失利，追查责任，第六十一军军长李服膺伏法。

1937年9月13日，日军独立混成第1旅团未经战斗占领大同后，国民政府第二战区接着组织平型关战役，其主力撤至恒山内长城一带防守。

国民革命军第六十一军防守茹越口，国民革命军第三十五军撤至雁门关阵地，国民革命军第十七军、第七十三师及第十五军退守平型关、团城口既设阵地，国民革命军第十八集团军第—一五师进出平型关外，遮断日军后方供应连络线。

日军蒙疆兵团之一部于9月21日陷商都、丰镇，续向集宁进攻，其主力攻陷应县、山阴、左云、右玉、平鲁、凉城等地，再向内长城线进攻，以策应第五师团作战。

28日突破茹越口，中国守军第二零三旅旅长梁鉴堂殉国。

日军进陷繁峙，威胁平型关守军后方，第二战区各部遂于30日夜撤向五台山、代县之线，平型关战役结束。

应第二战区司令长官阎锡山请求，国民革命军第十四集团军总司令卫立煌率蒋介石嫡系部队第十四军、第九军、第八十五师、独立第五旅等部，由石家庄赶来太原以北增援。

10月10日卫部集中于忻口附近，会合原第二战区各部，将部队分为三个兵团。

刘茂恩所指挥的国民革命军第十五军、第十七军、第九十四师为右翼兵团。

以王靖国为总指挥、郝梦龄为前敌总指挥、陈长捷为前敌副总指挥所指挥的国民革命军第九军、第十九军、第三十五军、第六十一军为中央兵团。

李默庵所指挥的第十四军所属第十师、第八十三师、第八十五师及晋绥军第六十八师、第七十一师为左翼兵团，归第二战区前敌总指挥卫立煌统一指挥。

于10月12日在忻口以北龙王堂、界河铺、大白水、南峪之线占领阵地，进行忻口战役。

日军主力于10月8日后相继攻陷崞县、原平，13日开始向忻口阵地攻击。

中国军队坚守阵地，进行反击，激战至14日，第二十一师师长李仙洲负伤，独立第五旅旅长郑廷珍及继任李继程接连阵亡。

至16日，前总指挥兼第九军军长郝梦龄、第五十四师师长刘家麒壮烈殉国，官兵伤亡极重，战势呈胶着状态。

10月上旬，日军第二、第二军主力向正定钳击，形势严重。第一战区抽出第一军团、第十四军团、第三军、第三十八军等部，转进于娘子关占领既设阵地，归第二战区副司令长官黄绍竑统一指挥。

日军陷石家庄后，长驱南进。仅以其第二十师团之一部向娘子关进攻，策应其第五师团之攻势。

11日后进攻井陉、砭驴岭，中国守军第三十八军第十七师迎击。14日突进苇泽关、旧关，被第一军团、第三军包围，消灭甚多，困守数据点，赖空投补给。

惜中国军队火力不足，未能将其全歼，围攻至22日，日军仍负隅顽抗。

10月21日，日军被迫抽调第二十师团全部及第一零九师团一部由冀南回援，第二十师团对娘子关再举攻击，第一零九师团由横口车站向测鱼镇、南漳城前进。

中国军队第三军及增援之第四十一军调集未毕，迎击失利。娘子关侧背暴露，退守平定。

日军第二十师团于26日陷娘子关，30日进平定，第一零九师团进至昔阳，平定、阳泉相继失守，日军进逼太原。

第二战区司令长官阎锡山命傅作义守卫太原。忻口各部队为免于被围，于11月2日夜开始撤退，转移太原北郊。但因东山失陷，乃渡汾河西撤。

娘子关方面撤下部队到达太原，日军已对太原形成包围，只好分路南移或西渡汾河。

11月6日，日军第五师团和蒙疆兵团向太原阵地进攻，8日由北城突入，守军向西山突围，太原陷落。

日军9日陷交城，接连陷祁县、平遥后停止。中国军队退守子洪镇、韩侯镇、兑九峪。太原会战结束。

参加太原会战的中国军队，于会战结束后，其国民革命军第十五军、第十七军等部转进于晋东南高平、阳城等地。

其第十四军、第十四军团等部转进于翼城、沁水一带。晋绥军各部转进于晋西山岳地带，与日军继续进行不间断的战斗，直至1945年日本投降为止。