在八路军给予进攻平型关之日军第5师团以有力打击时，日军关东军察哈尔派遣兵团于1937年9月27日和28日，先后突破中国第二战区茹越口、下村内长城防线，直逼繁峙，威胁平型关、雁门关侧后，第二战区部队遂放弃平型关、雁门关，退守忻口东西一线阵地。10月1日，日军越过茹越口、平型关一带之内长城线。侵占大营镇、繁峙等地之后，日军中央统帅部令华北方面军“以一部兵力在山西省北部作战占领太原”；令关东军察哈尔派遣兵团人列华北方面军指挥下。华北方面军于当日夜半，即令关东军察哈尔派遣兵团位于内长城以南之各部队归第5师团长指挥；令第5师团以主力在代县集结，准备攻占太原。6日，华北方面军命令沿平汉路南侵的第1军在适当时机攻占石家庄，并以一部兵力进入井陉以西的要地，切断中国军队在山西方面的交通，以策应第5师团的作战。同时命令第5师团向太原前进，攻占太原。
内长城防线被日军突破，太原形势危急。国民政府军事委员会为挽回危局，决定转用平汉路兵力，巩固山西防御。10月1日，急令第14集团军总司令卫立煌率第9、第14军及第85师、独立第5旅等部，由石家庄经正太路转赴晋北增援。第二战区司令长官阎锡山为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，利用忻口要隘与日军决战，保卫太原，判断日军将以主力由大营，繁峙，以一部由大同、雁门关沿公路进攻，另以一部由阳方口附近实行钳制攻击，据此，第二战区确定的作战方针是：以攻势防御之目的，以主力占领原平、阳方口地区既设阵地线，两翼依托五台及宁武各山脉。将部队编为右、中、左及预备等4个集团军：以策18集团军及第3，第101、新编第2师为右集团军，归第18集团军总司令朱德指挥，在五台山至峨口之线占领阵地；以第14集团军及第15、第17、第19军等部为中央集团军，归第14集团军总司令卫立煌指挥，在蔡家岗、南怀化，大白水一线占领阵地；以第68、第71、第120师及独立第7旅等部为左集团军，归第6集团军总司令杨爱源指挥，在黑峪至阳方口之线占领阵地；第34、第35、第61军及第66师等部为总预备军，归第7集团军总司令傅作义指挥，配置于定襄、忻县地区。决心以主阵地之部队竭力阻止日军进，以第18集团军第115，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，包围日军于原平以北山地而歼灭之。
对于保卫山西的作战，中共中央和中央军委极力关注。中央军委副主席周恩来一直同阎锡山保持着频繁的接触，多次参与一些重要作战计划的研究，以协调共同作战。针对阎锡山把作战地区划分为左、中、右3个地区，以主力用于正面防御的作战计划，周恩来指出：“在中地区，应以小部队钳制当面之敌，而以主力把敌诱到代县、忻口一线，求得侧面出击，加以消灭；右地区的部队要进行广泛的游击，以牵制敌军；左地区兵力较弱，可向宁武南北游击，破坏和阻止敌军的前进计划。”
为了争取忻口和太原作战的胜利，中共中央军委主席毛泽东于10月6日致电参加太原军事会议的周恩来，让他转告国民党军事当局：“敌占石家庄后，将向西面进攻，故龙泉关（应为九龙关）、娘子关两点须集结重兵，实行坚守，以使主力在太原以北取得胜利。”毛泽东判断：进入山西之敌，总数不过两个半师团，为确保晋北占领区，又须分兵守备。因此，到达忻口一带作战者不过1个师团左右。如果我方部署适当，是有可能暂时破坏敌之攻击计划的。并指出，此次战役夫键在于以下3点：1.娘子关，龙泉关之坚守；2.正面忻口地区之守备与出击（出击是主要的）；3.敌后方之破坏。为达上述目的，毛泽东提议：国民政府军事委员会应速派主力军三四个师至娘子关；第14集团军的4个师担任正面出击兵团之主力，晋军以2个师阶助出击，其余担任守备；八路军第115、第120师主力担任从东、西两方破坏敌之侧后纵深地区，袭击忻口至大同、大同至张家口之铁路及代县、广灵至张家口之公路交通线。八路军第129师主力或全部则使用于正大路，发动群众，配合娘子关守军巩固后方。
根据毛汗东的指示，朱德，彭德怀于10月6日、7日，令第115师阶同友军向平型关、大营镇之敌进攻，相机袭取浑源、应县，断绝茹越口、繁峙之间交通；令第120师以主力向岱岳镇（今山阴）以西山地出动，断绝大同与雁门关之间交通，以第358旅主力配合友军夹击宁武以南之敌；令第129师主力进至正太路之寿阳、平定地区，积极钳制与打击西进之敌。
根据中共中央军委和八路军总部的部署、在日军准备向忻口发动进攻时，八路军各部队即向日军侧后展开积极主动的攻击。第115师独立团于10月10日夜攻占涞源县城。第120师第358旅主力于10月8日夜袭宁武县城。该师雁北支队于10月1日袭占朔县以北之井坪镇（今平鲁县城），4月又收复平鲁县城（今平鲁镇）。尔后，又对同蒲路朔县至大同段展开破袭战。10日，在辛庄伏击日军运输队，随即逼近大同。
当日军主力于10月中旬向忻口阵地发动进攻后，八路军即向日军两翼及后方广泛展开游击战。第115师第344旅主力于10月13日至14日在平型关东北小寨村附近，断绝日军交通。15日，截击由灵丘方向驶来的日军汽车130余辆，并击退日军1个大队的数次反扑，迫其退回灵丘。接着，第344旅主力于当日夜袭团城口、尔后又收复平型关及浑源县城。第344旅第688团于15日夜袭沙河镇日军，缴获大批粮袜和军用物资。18日，该团一举攻克繁峙。第115师独立团，骑兵营等部，则向察南、冀西日军展开进攻。5日，独立团于广灵以南之冯家沟设伏，歼灭日军步骑兵100余人，缴获满载军用物资的大车120余辆。16日乘胜收复广灵县城。随后，又收复灵丘、蔚县、易县、浑源、阳原等县城。向冀西挺进之骑兵营等部于18日克复曲阳县城，至29日，又连克平山，唐县、完县等城，严重威胁了日军平汉路北段的交通。经20余天的作战，第115师先后收复县城10座，切断张家口至代县间日军后方交通线。
第120师则向进攻忻口的日军右翼及后方展开广泛游击。第358旅旅部率第715团于10月1
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