1937年9月，日本华北方面军占领了保定、大同、繁峙等地，到10月，占领了长城线上的阳方口和长城内的宁武。日本华北方面军提出占领山西的意见，日本内阁同意了华北方面军和关东军的提议，准备占领太原。长城防线已被日本突破，太原危急，国民政府决定调用平汉线的兵力，来保住山西。对保卫山西的作战，中共很关注，周恩来一直和阎锡山有着频繁的接触，参与制定作战计划，提出建议。

1937年9月21日，日军六个大队分两路向平型关一线进犯，企图突破平型关防线，与在雁门关北部的日军会合，进而攻占太原，占领山西全境。9月22日，日军向平型关等阵地进攻，中国守军顽强抵抗，战斗十分激烈，日军连攻了三天，并无进展。日军向师团长坂垣征四郎求援，中国方面阎锡山命傅作义率两个旅增援平型关，同时要求八路军配合作战。八路军一一五师开到平型关，伏击日军。9月24日，国军送来平型关出击计划：一一五师向平型关以东的日军出击。林彪三次到平型关、乔沟一带查看地形，观察平型关的山势、河流、道路。一一五师召开连以上干部动员会，分析了战局，做出了具体部署。战士们冒着大雨前往平型关附近的冉庄；道路崎岖，天黑路滑，衣服被浇的湿透，滚着泥水，深秋的夜晚很冷，战士们都冻得打哆嗦。暴雨后，又发起了洪水，战士们趟过洪流，向埋伏点前进。9月25日，部队进入预伏阵地，天阴沉沉的，刮着冷风；又不能生火，防止暴露。林彪命独立团，放过日军第二十一旅团，阻击日军增援部队。独立团和日军打响战斗，战斗十分惨烈，是红军第一次和日军交手。平型关大战的主战场是乔沟伏击战；日军第二十一旅团，乘汽车100多辆，运输物资的汽车200多辆，进入了乔沟峡谷。埋伏的一一五师轻重武器一齐开火，毫无戒备的日军人仰马翻，一片混乱，八路军对日军进行分割包围。一一五师拼死搏杀，与日军白刃格斗。日军发现他们的退路已被堵死，就拼命要占领公路两侧的制高点，即老爷庙。林彪下令：把敌人切成几段，并以一个营抢占老爷庙。拿下了这个制高点，我们就可以居高临下，把敌人消灭在沟里！团长李天佑派三营去抢占老爷庙，日军已占领老爷庙，但日军只是小股兵力抢占了老爷庙，大部分日军挤在公路上。三营战士们冲到公路，和日军白刃搏杀；终于占领了老爷庙制高点，日军去争夺老爷庙制高点。一一五师的另外两个团围了过来，加强火力围歼日军。在这场伏击战中，歼灭日军1000多人，击毁汽车100多辆，缴获了大量物资和武器；中方伤亡600多人。“平型关大捷”的消息传开后，全国各界发贺电。

之后，林彪率一一五师到吕梁山区开辟根据地，林彪骑着大马，穿着缴获的日本军大衣；有个阎锡山的士兵，以为是日本人到了，就朝林彪开了枪，林彪负伤；先回到延安治疗，又去苏联养病，抗战结束才回国。

平型关战役后，大同的日军南下，截断平型关后路，平型关守军被迫后撤；日军突破占领宁武关、雁门关等长城一线。阎锡山与卫立煌研究后决定，在忻口与日军会战；卫立煌任总指挥。忻口位于太原北部，忻口一丢，太原不保。日军调集五六万人，坦克150辆，大炮25门，在板垣征四郎带领下，向忻口进犯。10月4日，日军占领阳明堡；10月5日，日军攻击阳方口，经过一夜激战，日军占领阳方口阵地。八路军在后方破坏了雁门关、岱岳镇、怀仁一带的桥梁、道路、电线，袭扰日军。10月10日，日军攻打原平；10月11日，原平失陷。中国调集重兵到忻口一线；日军占领原平后，向忻口开进。板垣征四郎将日军分为右翼队、左翼队，两路进攻忻口。忻口两边是五台山、云中山，日军采取中间突破的战术，向南怀化阵地和阎庄阵地猛攻。10月13日上午10点，日军突破南怀化阵地。中国守军堵击，夺回南怀化阵地；进攻阎庄阵地的日军，激战至傍晚，突破阎庄阵地。10月13日夜晚，卫立煌组织部队反击日军；双方大战，进入对峙状态。

卫立煌鉴于南怀化阵地关系忻口战役的全局，决定调集5个旅的兵力，歼灭南怀化日军。10月16日，南怀化阵地反击战开始；反复争夺南怀化阵地，南怀化阵地的日军大部分被歼灭。日军援兵开到，卫立煌向蒋介石发电，要求增援；蒋介石、阎锡山调集军队去支援。10月20日，日军向中国守军施放毒气；日军在地面战场受挫，就派飞机轰炸忻口阵地。八路军夜袭日军机场，炸毁飞机24架，歼灭日军100多人。忻口中国守军与日军对峙了20多天，日军无进展、陷入被动。但山西东部的中国守军失利，娘子关失守，中国守军向太原溃退，日军跟进；忻口中国守军有被包围的危险。阎锡山决定忻口守军全线后撤，11月2日，卫立煌下令撤退。撤退时，部署得当，秩序很好。忻口战役，烧毁民房4万多间，百姓死亡一万多人，牲畜走失5000多头，损失财物无数。

忻口战役，日军是从北路进攻；日军同时进攻山西东部。日军占领石家庄后，继续向西边的山西方向开进。阎锡山只把大量兵力部署到山西北部，山西东部的兵力薄弱；直到10月12日，阎锡山才调孙连仲第二十六路军增援晋东。1937年10月12日，日军进攻娘子关附近的井陉、雪花山。10月12日下午，日军攻占井陉阵地。10月13日，日军继续攻打雪花山等阵地；负责防守雪花山阵地的一〇二团团长张世俊，擅自放弃阵地，雪花山失守；师长赵寿山处死了张世俊。赵寿山率部去夺回雪花山，但未能收复。在日军进攻井陉、雪花山时，同时攻打旧关。旧关是中国守军兵力薄弱地区，兵力空虚，是防御漏洞；日军发现这一点，全力攻打旧关。10月13日下午，旧关失陷；旧关失陷，等于截断了娘子关后路，中国守军去夺回旧关。日军从井陉派军增援旧关；10月16日早晨，中国军队大规模进攻旧关；发生激烈战斗，战至10月19日，中国军队未能夺回旧关。10月22日，日军已逼近娘子关，日军右纵队继续正面围攻娘子关，左纵队迂回到娘子关侧翼。10月26日，娘子关后方已被日军占领，娘子关中国守军转移；主力转移后，娘子关仅有少数兵力防守，日军占领娘子关，娘子关失守。娘子关失守后，日军继续向西，往太原开进。娘子关如果不失守，忻口中国守军就不必主动后撤，忻口也不会失守。

忻口、娘子关失守后，日军两路进攻太原。阎锡山委任卫立煌为“第二战区前敌总司令”，傅作义为“太原守备司令”，进行保卫太原。1937年11月4日，阎锡山等人撤离太原；太原守城部队进入城内，傅作义下令封闭城门，构筑防御工事；三十五军副军长曾延毅为太原戒严司令，负责维持城内秩序。11月5日，北、东两路日军逼近太原；日本空军对太原进行轰炸。日军包围了太原，大炮轰城；日军飞机撒下传单，要求中国守军投降。11月8日，日军炮火将城墙轰开十多处，日本兵向城内猛冲；与中国守军巷战。傍晚，日军伞兵空降到城中大校场，四处袭击。晚上21点，傅作义下令突围撤退；守城部队从大南门突围，撤离太原；太原沦陷。