蒋介石要求汤恩伯固守南口半个月。攻守双方随即展开激战，南口几度易手。两军仍在不断增援，但国民党军增援兵力大部分遭到阻击无法按时到达战场。至8月23日，日军第五师主力突破长城线，向怀来突进，南口守军固守待援无望，右翼又被突破，被迫于26日放弃南口撤退。日军随后占领居庸关、延庆、怀来等地。整个南口作战，中国军队伤亡26000人，日军伤亡2600人。

就在南口双方角力的同时，由关东军参谋长东条英机率领的察哈尔兵团已从察北方向直扑张家口，张家口守军就是刘汝明的第六十八军。8月20日，日军向张北地区发起攻击，攻占南口的日军也随即向张家口方向攻击前进。8月26日，刘汝明下令撤出战斗，张家口被日军占领。

8月24日，日本内阁会议同意再次动员四个师团的部队投入中国战场。在被问及那个老问题“进攻到什么地方蒋介石才会屈服”时，陆军大臣杉山元回答：“即将到来的华北会战正是这样的关键一役。”

平绥路上的张家口、南口相继沦陷后，日军板垣征四郎的第五师团集结于怀来，东条英机的关东军察哈尔兵团集结于宣化，向南攻击山西的意图显而易见。9月3日，东条兵团一部开始向晋北重镇天镇发起猛烈进攻。天镇是山西东北部的重要门户，保卫山西势在必守。经营山西长达20多年的阎锡山一贯奉行的是除了自己人谁都别想进入山西。用他原来的话就是，“在三个鸡蛋上跳舞，踩烂哪一个都不行”。现在看来，日本人要取他的老命，时任第二战区司令长官的阎老西这才真正抖起了精神。他匆匆电令隶属傅作义第七集团军的第六十一军军长李服膺火速向天镇集结布防御敌。面对两路日军的入侵，阎锡山正在筹备所谓的“大同会战”，要求李服膺必须死守天镇。

9月5日，日军步骑兵3000多人在飞机坦克的掩护下猛攻天镇，三日激战无果。眼看正面进攻不能奏效，日军开始绕过天镇进攻阳高。9日，阳高失守，日军复折回围攻天镇。9月11日，后路被截的李服膺下令弃收天镇。天镇失守导致晋北屏障顿失，阎锡山的“大同会战”也被扼杀在摇篮之中。9月13日，东条兵团不战而得大同。

恼羞成怒的阎锡山立即将李服膺拘捕，随后以“放弃阵地，擅自撤逃”的罪名判处死刑，李有幸成为第一个因作战不力被执行枪决的国民党军高级将领。

在日军的持续猛攻之下，9月14日，广灵失守。20日，灵丘失守。日军在中国军队晋北防线的右翼已经逼近了内长城，灵丘之南就是平型关。

参加山西战斗的，除了国民党部队，还有中共中央领导的第八路军。8月22日之后，第八路军所属一一五师、一二〇师、一二九师，共计46000多人，陆续加入晋北战场。

9月21日，日军第五师团第二十一旅团在占领团城口之后，继续南进，正面进攻平型关。八路军第一一五师在师长林彪、副师长聂荣臻的率领下，奉命以一部袭击灵丘、涞源敌后。25日上午，日军第六兵站汽车队携带大量辎重由灵丘向平型关开进。80多辆汽车、100多辆马车、几百名官兵进入第一一五师精心设下的伏击圈。激战后，日军几被全歼，此即著名的“平型关大捷”。被歼日军是第五师团的一个辎重大队。

与此同时，关东军察哈尔兵团东进策应，于28日攻陷茹越口，随后进占繁峙，威胁平型关侧背。30日晚，平型关守军奉命撤向五台山，日军遂陷平型关西进至代县。

10月1日，陆军参谋本部向板垣所率第五师团和察哈尔兵团下达了进攻太原的命令。

面对越来越危急的战局，阎锡山破例请求将在平汉线上作战的卫立煌第十四集团军加入晋北作战，蒋介石欣然应诺。要知道，在此之前国民党“中央军”进入阎老西的老巢山西，那是想都不要想的事情。10月4日，卫立煌已经先于部队到达太原。

10月2日，日军察哈尔兵团混成第二旅团从代县向崞县进攻，激战一周后，崞县陷落。12日，日军攻占原平，前方就是太原的北大门忻口。阎锡山下令将晋北各部撤向忻口地区组织新的防御。此时位于忻口的中国军队已经达到了28万人，而以第五师团和东条兵团一部为主的日军总兵力有5万人。

10月13日，板垣指挥第五师团猛攻忻口。14日，卫立煌下令国民党军全线反击，两强相遇勇者胜，战斗随即进入白热化。18日，忻口前沿阵地反复易手达13次之多，日军6次占领，国民党军又7次夺回。战况最紧张的一天，被打垮撤下来的部队，就多达11个团。10月19日，八路军第一二九师第七六九团陈锡联部夜袭阳明堡，摧毁敌机24架。在争夺南怀化高地的战斗中，第九军军长郝梦龄、第五十四师师长刘家骐、独立第五旅旅长郑廷珍壮烈殉国，但国民党军第六十一军、第十九军等部队依然始终坚守忻口阵地，双方在忻口形成对峙。惨重的伤亡使得日军几乎丧失了继续进攻的勇气。

为了打开山西僵局，日本决定再次实施侧后突袭作战。中路平汉线的石家庄陷落之后，参谋本部下令第十四师团和第一〇八师团继续南下，第六师团抽调淞沪战场加入柳川平助的第十军，第二十师团和第一〇九师团则受命沿正太路向山西进攻，配合板垣征四郎在晋北的作战。

在淞沪战场前线双方对峙的紧要关头，日军第十军在杭州湾登陆侧击，导致国民党军防线的全面崩溃，这一幕在华北战场再次上演。忻口前线中日两军头顶头，憋足了劲在比拼内力，日军由平汉路向西的进攻，无异于在国民党军的屁股上猛插了一刀子。

晋东战略要地娘子关告急。国民党政府军事委员会令第一战区部队一部转入晋东娘子关地区组织防御，由第二战区副司令长官桂系黄绍竑负责指挥。10月11日，日军第二十师团占领井陉，以一部攻娘子关正面，主力绕道于13日攻陷旧关。21日，第二十师团得第一〇九师团一部增援，继续正面强攻娘子关。26日，日军左突击队已经迂回到娘子关和新关侧后，娘子关守军顿时陷入腹背受敌的境地，被迫全线撤退，晋东战略要地娘子关失守。日军沿正太铁路向西追击，11月2日占寿阳，迅速逼近榆次，太原危急。

娘子关失守导致北路国民党军无奈放弃忻口，退守太原。11月2日夜，忻口守军全线撤退。11月4日，阎锡山决心以忻口撤退的部队占领太原北郊阵地，以娘子关退下的部队防守太原东郊，以刚增援的汤恩伯第十三军推进到榆次待机夹击日军。守城名将傅作义被任命为太原城防司令，负责率第三十五军残部和独立第一旅、第二一三旅共19个营死守太原。

然而，两线撤退的部队立足未稳，日军即追击而至，根本无法组织起有效的防御。5日，东路日军占领榆次。6日，北路日军进抵太原城垣，两路日军在太原郊外会师。7日，两路日军开始协力猛攻太原城。战至当晚，守城官兵仅存2000余人。8日夜，太原城垣被日军突破，傅作义率第三十五军残部突围而出。

11月9日，太原沦陷。

历时两个月的太原会战中，日军参战兵力共14万人，伤亡近3万人。中国参战兵力为6个集团军计52个师共28万人，伤亡10万人以上。

继续从石家庄南下的日军于10月15日占领邢台，17日攻陷邯郸。11月5日，豫北重镇安阳落入敌手。

至此，中国军队在华北战场的正面抵抗宣告结束。