日军由于前期在原平作战的消耗较大，人员和物资需要补足，无奈只能在原平休整，等待后方集中大部队进行物资运送，所以直到10月20日主力才进入到忻口前沿，比前世足足晚了两周多。
因为有了充足的准备时间，中国军队在忻口前线的防御安排周严了不少，后勤供应也更加充足。中央军14集团军的前锋在10月5日抵达忻口，10月10日时主力全部到达，经过商议，最终安排：在忻口战场中线由第九军郝梦玲指挥第9军、19军、35军、61军，右翼15军军长刘茂恩指挥15军、17军，左翼14军军长李默庵指挥14军、第85师、第66师、第71师，各部由卫立煌统一指挥。虽然山西被列入二战区，阎锡山也是二战区的司令长官，但是面对日本大兵压境，阎锡山想让中央军能用心抵抗，就将总指挥的职务让给了卫立煌，让晋绥军都接受卫立煌的指挥。
各部在到达指定阵地之后就开始日夜不停的挖设防御工事，包括晋绥军在内的各部，都在自己防区内设置了几道工事，力求增加战斗纵深。
根据前面作战得出的教训，想要防住日军的进攻，必须多设立几道工事，以增加作战的纵深，其中中线南怀化阵地尤其比较扎实。忻口战线的防御阵地，从南怀化中央阵地一直扩展至左翼茹家庄等地，右翼扩展至灵山一线。
晋绥军的炮兵则按照战前演练的经验进行布置，炮兵阵地都建有防炮洞和曲型战线，将炮兵阵地布置在反斜面，并布置了不少防空炮，以应对日军飞机的低空轰炸。
第五师团号称日军钢军的确名不虚传，上来就给守军一个下马威，第五师团先是以炮兵和飞机轰炸开路，第五师团的炮兵轰炸非常精准，往往守军的一个火力点射击不了多久，就会被日军发现并由前线炮兵摧毁，一个师团加上配属的一个旅团，一个支队的攻势，就给了忻口前线的所有部队很大的压力，前线部队几乎都没有和日军精锐师团交手的经验，对于日军的精悍虽有耳闻，但是没有领教过，第五师团这种常设师团的士兵，几乎人人都是神枪手，第一轮接战，守军阵地上好多人都是被一枪爆头，在前线的守军发现日军不光射击精度高，火力配置也非常合理，机枪，掷弹筒，步兵炮，后方火炮的层级搭配非常高，冲锋也很有章法，走位卡点非常巧妙，极其善于利用进攻道路上的障碍物进行掩护，守军在第一轮的攻击中就吃了大亏，前线死伤不少。
不过好在为了此战，阎锡山将自己的老本都派了上来，晋绥军各军将所属炮兵团全部拉上来，阎锡山还另抽调了一个独立炮兵旅前来助战，有了这些火炮的攻击，日军的冲锋被轰炸的支零破碎，虽然日军飞机的助战给了前线一定压力，但是晋绥军各军的炮兵团中都装备了一些厄利孔20毫米机关炮，并且火炮大多在掩体之中，这些飞机未能完全阻断晋绥军炮兵，日军第一天的进攻都宣告失败。
之后几天一直是这样僵持中度过，日军炮兵和飞机都在努力的想打掉晋绥军的炮兵，但是晋绥军的炮兵人数众多，并且比较训练有素，对于防炮和防空都有比较多的经验，所以日军的意图始终未能如愿。
基于忻口前线有这些足够强大的炮兵和足够多的弹药，前几日内日军每次的进攻最终都被挡了回去。
不过在战至第6天时，第九军军长郝梦龄带领麾下的师长、旅长在视察工事时被日军突袭，郝梦龄及第54师师长刘家祺、独立第5旅旅长郑廷珍当场全部壮烈殉国，三个将军一日内牺牲，并且还有中线的总指挥，忻口前线战场上的所有官兵的信心都受到重创，军心开始有所动摇。
阎锡山紧急和卫立煌商量，由他的嫡系第19军军长王靖国接替郝梦龄，接任中线总指挥，随后王靖国以19军为主力，在中线展开局部拼死反击后，收复了日军突袭占领的阵地，才将战线再次稳固了下来。
为了尽快突破中线阵地，第五师团从第七天开始毫无人性的动用毒气，但是一是战场区域较大，二是守军的防范措施较为得当，毒气攻击未能帮助日军取得实质性效果。
日军设在阳明堡的飞机场，集中了日军在华北的大量飞机，每天几乎都是以最高的频次起飞对中国阵地进行轰炸，给前线带来了极大伤害。八路军129师在偶然间侦查到了阳明堡飞机场的位置，并在战斗开始第九天晚上时将阳明堡机场摧毁，并炸毁了飞机场中的飞机，给前线大大的减轻了压力。
李志坚率领教导旅更没有让日军好过，两个团进行了分兵，主力时刻都是盯着第五师团，逮住机会就咬上一口。
李志坚集中起来4门山炮和大部分迫击炮，对日军的冷炮就没有停过，只要发现日军的指挥机关、炮兵阵地和后勤阵地就想尽办法的进行冷炮轰炸。现在李志坚的教导旅中迫击炮的数量不少，除了按编制配备的外，还在对日军后勤线的打击过程中，缴获了不少日式迫击炮及弹药。
这种冷炮使得日军在几天后的作战中炮兵几乎不能放开手脚轰炸，隔上一会就要转移一下阵地，并且在炮兵阵地周围部署了不少的保卫部队，减弱了前线日军的攻击力量。指挥机关更是变得低调，日军的指挥官开始学习中国军队，很多军官也换上了士兵军装。
除了冷枪冷炮外，李志坚也寻找作战时机对第五师团一部开展了几次夜袭，而夜袭的主力就是掷弹筒，掷弹筒的射程太近，只有几百米，白天无法用来用打冷炮，李志坚就都用来进行夜袭。掷弹筒进行轰炸后全军突进，第五师团的士兵素质的确名不虚传，在遭遇夜袭的情况下，部队几乎没有混乱，反击时的射击还比较精准，所以夜袭部队虽然取得一定战果，但是都未能打出击溃战。
教导旅在对第五师团进行夜袭和冷炮冷枪等袭扰外，还分出两个营对日军的后勤线进行破袭，而这也是八路军最喜欢做的，两支部队经常就不谋而合，打了几次没有约定的合作作战，日军的后勤再难以送进来，日军无奈，只能向忻口前线增兵，日本从本土在源源不断的向中国增兵，虽然现在主要增兵方向是淞沪方向，不过兼顾了中国北方，也增派了一些兵力，这次日军又增加了一个支队支援，同时为后勤运输进行护送，这样才给第五师团补充了一些物资，否则第五师团马上就得撤兵。
两个营的兵力对于日军一个支队的护送部队而言，无疑是鸡蛋对石头，部队不敢继续对日军大军护送的辎重继续袭扰，于是将袭扰的对象转变为日军已经占领的晋北的县城，日军的主力都在进攻忻口前线，在这些县城根本没法留下多少力量，所以教导旅区区两个营，竟然很容易的就收复了繁峙、广灵等县城。
李志坚将收复上述县城的情况上报给阎锡山后，阎锡山指示由李志坚自己安排部队守卫，并授予李志坚自主任命这些县的临时长官的权力。于是李志坚安排收复这些县城的部队，在本地招收了一些青年，使用缴获的日军装备进行武装，每个县留下一个排，由他们带领在本地招募士兵在县城周围进行游击。