10月15日，第35军第218旅进驻下王庄，弓家庄一线，与第161旅协同向南怀化敌侧背发起反击

其中位于云中桥的第218旅渡河偷袭日军位于旧河北村的阵地。

正当第218旅作渡河准备时，日军先行渡河攻击第54师161旅下王庄阵地。

第218旅为保下王庄不失，主动增援友军，并三次挫败了日军的进攻。

在击退日军的第三次进攻之后，第218旅于16日凌晨3时渡过河北，以奇袭的方式相继攻克旧河北村外围的弓家庄、东泥河两处日军阵地。

同时中央地区国军部队也发起总攻。

刚开始进攻顺利，接连攻克多个据点。

但10月16日（第二天），日军迅速发起反攻；并全力突破第9军阵地。

在激战中，中央兵团总司令兼第9军长郝梦龄中将，第54师长刘家麒中将，独立第5旅长郑廷珍少将相继壮烈殉国，反攻一度中断。

中央兵团战况渐趋胶着。

左翼兵团方面，10月12日，日军由永兴村南下攻占阎庄。

13日，在飞机大炮，战车掩护下；日军向国民党中央军第14军大白水主阵地攻进。

其第10师陈牧农旅英勇抵抗，很快伤亡过半；敌突入大白水村内，国军官兵立即组织反攻，将入村内之敌全歼。

日军调整攻击方向，以卫村为前进阵地，主攻朦腾和南峪阵地。

国军第34军第71师据守两村高地，隔河与敌对峙；日军在河沟两岸死伤累累。

日军为报复，集中重炮猛轰第71师阵地；第71师伤亡甚重。

为摧毁日军前进阵地，第14军李默庵部组织数百人突击队，两次夜袭卫村，但均遭失败，突击队数百壮士全部壮烈殉国。

左翼兵团遂陷入僵持，但日军未再前进一步。

右翼兵团方面，日军于10月13日从桃园村进犯，向国军第15军灵山阵地猛攻，马祺臻第195旅在东、西荣华村与敌拼杀，付出重大伤亡代价，阵地还是失守。

日军旋即向东、西南贾村进犯，遭到邢清忠第191旅拼死阻击。

战至10月14日，日军主力转攻南郭下，国军第192旅顽强抵抗，将敌阻滞于南郭下和东、西南贾一线。

第84师则固守蔡家岗亘灵山，界河铺，侧击南郭下村方面数千日寇。

为稳定战局，卫立煌命左翼兵团第94师接防营房里至龙王堂一线，以打击日军侧翼。

总预备队第17军第251旅也驻防蔡家岗。

第15军集中主力向南郭下一线日军发起进攻。双方展开激烈的争夺战，第15军多次粉碎日军进攻。

中央兵团方面，卫立煌命令第61军长陈长捷接任兵团司令；并不断增兵，以图打破日军主力对中央阵地的总攻。

10月20日，第38军第529旅到达战场。21日，卫立煌又从左翼兵团调陈铁第85师增援。

日军对中央兵团的猛攻，再度受挫。

为尽快结束忻口战事，板垣征四郎向华北方面军司令部求援。

10月22日，萱岛支队到达忻口；日军于24日再次发起总攻。

双方激战数日后，国军第85军伤亡殆尽。日军打出国军防线数个缺口。

27日，双方又陷入胶着。

当天，日军又派遣第109师团第136联队一个大队参战。

10月29日，又将该联队一个大队及独立混成第1旅团一个联队调给第5师团。

另外日军精锐第11师团第71联队，也赶到战场。

而此时，国军第二战区余部在娘子关作战；已无法增派一兵一卒。

当天，获得增援的日军即发起全线总攻。

日军精锐第11师团第71联队向左翼朦腾村猛扑，国军第83师刘戡部奋勇拼杀，竟重创该精锐联队，毙伤其二千余人。

第11师团因淞沪会战，忻口会战，成为抗战损失最惨重的日军甲种精锐师团。战后撤回日本本土，至二战结束再未参战。

第83师刘戡伤亡殆尽，剩余兵力已不足一个团。

中国空军也奉命参战。

空军共进行了12次侦察、42次轰炸。共击毁日军重型装备一批，击落日机3架，击伤1架。

击落了号称日本陆军航空队“驱逐机之王”、“四大天王”之一的第16联队第1大队大队长三轮宽少佐，以及关东军集成飞行团的重轰炸机大队长秀岛正夫少佐、侦察机中队长平长一大尉等人的飞机。

中国空军四大金刚之一，第5大队第24中队长刘粹刚上尉误撞魁星楼壮烈殉国；被追晋为空军少校。

10月30、31日，双方继续对峙。

日军进攻未取得进展。但是11月1日，娘子关、平定、阳泉等地先后失守；日军另一路迅速增援忻口，再图合围忻口国军主力。

11月2日，因晋北国军侧后受到严重威胁。卫立煌遵照阎锡山的电令，下达撤退命令。

在整个忻口会战中（含平型关战役，娘子关战役，太原保卫战），国军及八路军以伤亡13万人的代价，给日军造成约2.7万人的伤亡。

当时国军装备粗劣陈旧，如炮兵仅约为日军三分之一，重炮严重匮乏。

而空军战机只有日军十分之一。因此中国空军既不能获得制空权，又不能支援地面部队作战。

炮兵亦多分散使用，不能充分发挥威力。

而国军仅凭步兵与装备精良、训练有素的日军决斗，且通信器材不足，影响各部队间之联系甚大，致遭受惨重损失。

国军官兵完全是以血肉之躯，血拼日军精锐兵团。

可以说忻口会战打出了中国军人的威风，打破了日军灭亡中国的幻想。