日军侵占平津后，占领长辛店、丰台、南苑、独流等外围据点，掩护其主力集中，按照其1937年7月27日制定的作战计划，预定在增援的第5、第6、第10师团到达后，以主力沿平汉、津浦铁路南下。
8月1日，中国统帅部命傅作义之第35军和汤恩伯之第13军向察哈尔前进，以威胁平津日军，8月4日，到达南口地区，日军为解除其南进时的后顾之忧，以独立混成第11旅团于8月8日进攻南口，遭到第13军的顽强抗击，多次冲锋均被击退。
8月9日，日本参谋本部为消除平津地区北面之威胁，为尔后作战创造有利条件，令关东军组成察哈尔派遣兵团，与中国驻屯军协同打通平绥铁路东段，并占领张家口。日军混成第11旅团于11日再次进攻南口，汤恩伯指挥第89师进行反击，将日军包围于阵地前并切断其后方联络线。日军被迫转为据山地防守，靠空投补给弹药、食粮。日中国驻屯军司令官香月清司，急调刚刚到达华北之第5师团增援。
8月20日，日关东军察哈尔派遣乓团（指挥官东条英机中将，下辖独立混成第1旅团，混成第2、第15旅团，步兵第16、第30联队，骑兵第2联队，野炮兵第2联队，工兵第2联队及第2飞行集团的14个飞行中队）开始向张家口进攻，日军第5师团于16日进至南口地区，指挥第11混成旅团猛攻第13军阵地，25日攻占南口。27日，北路日军亦攻占张家口。中国军队逐渐向绥晋地区撤退。
日军占领平绥铁路东段后，为进一步扩大侵华战争，于8月31日再向华北增调第14、第16、第108、第109师团，并编成华北方面军，以寺内寿一大将为司令官，下辖第1军（司令官香月清司中将，辖第6、第14，第20师团，野战重炮兵第1、第2旅、第8联队，独立山炮第1、第3联队，战车第1、第2大队）、第2军（司令官西尾寿造中将，辖第10、第16、第108师团，野战重炮第6旅团）。方面军直辖部队有第5、第109师团，中国驻屯混成旅团、临时航空兵团及独立攻城重炮兵第1、第2大队等。9月4日，第1、第2军分别沿平汉、津浦铁路南下，以平汉路为主要进攻方向，企图在保定、沧县一线围歼河北境内的中国军队，察哈尔派遣兵团配属一部伪满军及伪蒙军，由张家口沿平绥路向天镇、大同进攻，第5师团由宣化，涿鹿沿桑干河两岸向蔚县、阳原进攻。
随着日本侵华战争的扩大，国民政府于8月11日召开国防会议，决定成立大本营（不久仍以军事委员会为抗战最高统帅部），由蒋介石任陆海空军大无帅。8月20日下达《国军作战指寻计划》，将全军区划分为5个战区，确定主战场在第一战区，主战场之侧背在第二战区。第一战区作战地域为冀省及鲁北，司令长官蒋介石兼，由石家庄行营主任徐永昌代理。第二战区作战地域为察、绥、晋省，司令长官阎锡山。当南口，张家口之军队撤退至察、绥时，第二战区决定加强晋北的防御，并拟定了作战计划：“利用山地歼灭敌人。以主力配置于天镇、阳高、广灵、平型关各地区，以一部控制于大同、浑源、应县附近。”
9月5日，日察哈尔派遣兵团开始进攻。李服膺之第61军，在天镇以东山地逐次抗击后退人城中。9日，阳高失守，李服膺弃天镇城撤走。
11日，日军进至聚乐堡，逼近大同，第5师团亦攻占蔚县，第7集团军总司令傅作义计划集中兵力，在大同地区与敌决战。阎锡山以大同地形不利为由，收缩战线，令其放弃大同，退守雁门关长城沿线。日察哈尔派遣兵团于13日占领大同，17日攻占丰镇，20日占领左云、右玉。第5师团于14日攻占广灵，9月21日，第二战区急令第17、第15军及第73师开赴平型关，阻止日军西进。
22日，日军开始进攻，遭到守军的顽强抗击，顿兵关前。25日，日军第5师团第21旅团野战炮兵大队及师团辎重部队向平型关增援，在平型关以东的小塞村附近，被设伏该地的第18集团军第115师包围，全部被歼。日察哈尔派遣兵团于当日下令，命第2、第15混成旅团及独立第1混成旅团，分别由大同，怀仁、右玉南下，增援第5师团。平型关方面，日军连日猛烈攻击，均被守军击退。到29日，日军南下的3个旅团，分别突破第61军在长城沿线、第34军在茹越口、骑兵第1军在平鲁等地的防线，攻占了平型关以西的铁角岭、繁峙，朔县。
平型关的中国军队，为避免彼敌包围，于30日拂晓，向五台山区转移。
日军攻占平型关后，第5师团继续西进，与占领繁峙之第15混成旅会合后，于10月1日攻占代县。日本参谋本部根据中国正集中兵力于上海战场，未再向华北战场增派兵力，大同以北、以西地区的守军兵力薄弱，正由晋北后撤，而其第1、第2军及察哈尔派遣兵团进展顺利的情况，于10月1日命令华北方面军“以一部兵力进占太原”，并令关东军将察哈尔派遣兵团的2个旅团转隶华北方面军。华北方面军令第5师团长板垣征四郎负责指挥。所属部队有该师团之第21旅团、第9旅团之步兵第11联队；察哈尔派遣兵团转隶来之混成第2、第15旅团；中国驻屯军步兵第2联队、堤支队（2个步兵中队、1个机枪中队、1个步兵炮队、1个装甲汽车队），第2联队及骑兵、工兵各1个中队。总计步兵约24个大队、骑兵6个大队、各种大炮95门（山炮21门、野炮44门、轻榴弹炮20门、150毫米榴弹炮8门，150毫米加农炮2门）、战车数十辆。为掩护部队集中和整顿，板垣令混成第2，第15旅团继续向撤退之中国军队进攻，师团主力拟于10月13日开始进攻。
中国军队放弃平型关后，晋北形势危急。中国统帅部于10月1日急令第一战区之第14集团军总司令卫立煌，率4个半师，由石家庄经正太路车运太原，转赴晋北，兼程驰援。第二战区将准备在忻口地区抗击日军的部队编为4个集团军：右翼军（第18集团军总司令朱德），辖第115、第129、第73、第101师，新编第2师；中央军（第14集团军总司令卫立煌），辖第9、第14、第15、第17军（每军2个师），第19军（2个师又1个旅），第85、第94、第177、第42师，独立第5旅，炮兵第5团，炮兵第23、第27。第28团（各欠1个营）及1个战车防御炮营，1个装甲车队；左翼军（第6集团军总司令杨爱源）辖第68、第71、第120师，独立第7旅及炮兵3个营；总预备军（第7集团军总司令傅作义），辖骑兵第1、第2军，第34，第35，第61军，第66师，独立第1旅，炮兵第21、第22团及炮兵第25团第2营，战区直辖空军北正面支队（4个飞行中队，10月12日归人中央集团军序列）。
战区制定的忻口会战方针是：“1.本战区以攻势防御之目的，以主力占领蔡家岗、灵山、界河铺、南怀化、大白水、卫家庄、1482高地迄阳方口既设阵地线，两翼依托五台及宁武各山脉，缩短战线，集中兵力，对侵入之敌乘其立足未稳，迅速击灭之。2.以一部占领五台山、罗圈沟、峨口至峪口之线，另以主力之一部占领中解村、阳明堡、虎头山、黑峪村之线，竭力阻止敌之前进，不得己时，撤据崞县、原平、轩岗一带，逐次消耗敌之实力，以掩护大军之集中。”
战区的兵力部署是：以右翼军在五台山、罗圈沟至峪口之线占领阵地；中央军在蔡家岗至1482高地之线占领阵地；左翼军在黑峪村迄阳方口之线占领阵地；总预备军控制定襄、忻县一带，策应各方。
10月1日，日军混成第2旅由繁峙进攻崞县。其先头部队在阳明堡击破第19军之警戒阵地后，向郑家营之第205旅进攻。2日，第19军主力在崞县部署完毕，与日军展开激烈的城池攻守战。4日，日军混成第15旅由崞县城西迂回，进攻原平。5、6两日，日军在炮火支援下，多次进攻，均被守军击退。第19军军长王靖国由第70师抽出部队，组织数次夜间出击，颇有斩获，7日，日军航空兵及炮兵进行数小时火力急袭，爆毁北城垣数十米，守军第401团伤亡殆尽。日军在战车掩护下，于14时突人城中。22时，城中各部队之高级指挥官均亲率直属队进行巷战，终因伤亡太大，无力再战。8日2时许，王靖国率第19军残部，分由东、南关撤出，崞县遂陷。原平守军第196旅坚守至11日下午，仅余官兵二三百人，仍与突人城内的日军巷战两小时之久，旅长姜玉贞战死，原平陷落。在此之前，宁武已于10月6日失守，守军独立第7旅退守轩岗。
10月12日，各集团军均已到达忻口地区，占领阵地。第二战区又令傅作义率总预备军加入中央军作战，并调整部署，将中央军区分为3个兵团，以刘茂恩指挥第15、第17、第33军等部为右翼兵团，以郝梦龄指挥第9、第19、第35、第61军等部为中央兵团，以李默庵指挥第14军及第66、第71、第85师为左翼兵团，仍以卫立煌为前敌总司令，统一指挥3个兵团作战。当日，日军第5师团在原平集结完毕，决心于13日开始进攻，以混成第15旅团、堤支队在同蒲路西展开，第5师团主力在同蒲路东展开。
13日拂晓，日军先以一部兵力向前进阵地实施威力侦察。8时许，日军约5000人，在数十辆战车、30亲架飞机和炮火支援下，向中央兵团南怀化阵地攻击。10时，阵地摧毁，守军伤亡殆尽，该阵地失陷，日军继续向纵深进攻。郝梦龄以第21师的2个团实施反击，至15时，将敌压制于云中河畔。另有日军约3000人突人左翼兵团阎庄阵地，第10师以反击将其击退。当日，卫立煌与傅作义会商，决定采取攻势作战，以总预备军之一部由中央地区出击。阎锡山为使主力作战便利，令左、右两翼军积极向敌后方活动，以破坏其交通，阻止敌增援，并将左翼军之第68，第71师转隶中央军。14日拂晓前，中国军队开始出击。
第15军主力将当面之敌压迫于滹沱河畔灵山脚下；第35军第218旅攻占石庄，击退日军干余人连续4次反冲击，旅长董其武身负重伤，仍坚持指挥；第9军及新编第4旅、独立第2旅向南怀化之敌攻击，适日军亦增援反击，击战激烈，师长李仙州、旅长于振河负伤，双方均无进展，对战至暮；第10师攻占旧练庄，日军约2000人亦攻占大白水；第83师主力及第85师一部攻击卫家庄，与敌增援部队对战至暮。当日晚，卫立煌到忻口调整部署：今第61军军长陈长捷指挥独立第2第3旅（欠1个团），新编第4旅及第21师，消灭南怀化之敌；令郝梦龄指挥第54师、独立第3旅之1个团、第217旅，第218旅，向铁路正面攻击。15日，由铁路正面出击的部队，一度攻占中泥河，后被迫迟回。进攻南怀仁日军之部队，攻占卫家庄及1482高地，压迫日军迟据南北庄头。16日，卫立煌又投入第68师及独立第5旅、新编第4旅及第21师，发起攻击。第218旅攻占旧河北，进出至南怀化敌军之后，其他各部亦有进展，杀敌甚多。值此紧要时刻，中央兵团长郝梦龄、第54师师长刘家麒、独立第5旅旅长郑延珍等同时阵亡，部队损失亦极大，与敌形成僵持状态，难以扩大战果。当日夜，卫立煌决心改取守势，并请求增援。阎锡山命第94师及第177师第529旅，由尤泉关至宏道镇，归卫立煌指挥，17日至19日，日军集中兵力不断发动猛攻，主突方向指向南怀化东北侧高地及官庄高地。经反复肉搏。终将日军击退。
日军开始向忻口进攻以来，第18集团军第120师受命在敌后行动。14日，协同第7旅收复宁武；15日，收复广灵；19日，袭击阳明堡日军机场，有力地支援了正面防守部队的作战。
21日以后，日军士气及战斗力逐渐下降，无力发动全面进攻，仅能实施局部攻击，自27日起，又采用近迫作业及坑道向中国军队的阵地逼进，均被击退；中国军队连续作战，损失甚巨，又未能适时补充，亦无力发动大规模的攻击，仅能进行局部反击，双方形成对峙。由于日军第5师团不断要求增援，华北方面军于28，29日，由警备平津地区之第109师团第136联队抽调两个步兵大队，从察哈尔派遣兵团独立混成第1旅抽调1个机械化步兵联队，增援第5师团。30日，第5师团向灵山及官庄南侧高地发起攻击，激战三日，仍无进展。
11月1日，正太线方面战况吃紧，忻口地区军队奉阎锡山之命，于2日夜开始向太原北方青龙镇东西之线撤退。忻口会战结束。
日军第1军于10月10日占领石家庄后，即令第20师团之一部沿正太线进入晋东，以策应第5师团晋北的作战。当时，沿正太线防守的军队为冯钦哉的第27路军及曾钟万的第3军。12日，日军攻占井陉；13日，攻占旧关。14日，孙连仲之第26路军增援到达，坚守娘子关，并多次组织反击、一度夺回旧关，阻止了日军的攻势。日第5师团在忻口地区进攻受阻，第1军遂于21日将第20师团主力投入正太线作战。第二战区亦将孙震的第41军增援正太线。日军在飞机、大炮支援下，多次猛攻，均未奏效，仍被阻于娘子关前。激战至25日，第26路军仅余5000余人。26日，娘子关失守。守军节节抵抗，至31日、26路军第30师仅剩六七百人，第3军仅剩2000余人，第41军及第27路军皆溃不成军，失去掌握。
11月2日，日军攻占寿阳、昔阳；4日，击退第26路军之800多人抵抗后，攻陷榆次，迫近太原。5日，日军第5师团攻占阳曲；6日，到达太原北郊。7日，日军第20师团亦到达城郊，太原陷于被包围状态。
8日，日军发起总攻。当夜，城防司令傅作义车部突围，向晋南转移，太原失守。此后，华北正面战场作战基本结束。
日军侵占平津后，中国统帅部确定平汉路方向的第一战区为主战场，并决心以重兵防守山西战略要地，威胁由平汉路南进日军主力之侧背。这一战略决策是完全正确的，忻口会战及平型关、娘子关等地之作战，作战指寻多有不妥：与敌人进行广正面的线式阵地防御战，处处设防，兵力分散，并缺乏有力的统一指挥和有机的相互协同，形成此打彼看，互不呼应；敌人主攻方向上战斗激烈，但兵力不足，而没有敌人进攻的方向上却兵力空置，作壁上观，以致主要防御方向上的部队伤亡惨重。但是，这些作战行动迟滞日军沿平汉路南下两个月的时间，有利于持久抗战。