山西，地势雄固，自古以来既为华北天然堡垒，又是拱卫陕甘西北之屏障。１９３７年１０－１１月，八路军与国民党友军摒弃前嫌在忻口、娘子关及太原地区与日军展开了激烈的大会战——太原会战。
　　
　　激战忻口２１昼夜
　　
　　忻口，东托五台山，西倚云中山，中间滹沱河穿越山谷，同蒲铁路纵贯南北，是晋北通向太原的门户，战略地位十分重要。１９３７年１０月初，日军统帅部命令板垣征四郎率日军第５师团进逼忻口，意图一举拿下忻口，并向太原发展进攻。
　　中国方面极为重视忻口方向防御，第２战区司令长官阎锡山集结重兵阻击日军，在忻口及其外围要地与日军进行了为期近１个月的激烈作战。日军在完成外围作战后，于１３日晨正式打响忻口战役。在坦克、战车、大炮、飞机的配合下，首先向忻口的门户南怀化阵地发动一轮又一轮的猛烈进攻，意图实施中央突破，但中国守军据险扼守，顽强奋战，寸土不让。战斗中中国守军用太原兵工厂自制的８万多发炮弹猛烈回击日军，手榴弹、手雷也发挥了巨大作用，炸得日军抱头鼠窜，尸横遍野。当地成百上千的老百姓自发地组织起来支援前线，抬伤员、挖战壕，与战士们一起穿梭在火线上。当守军的手榴弹、手雷打光时，各村百姓纷纷将自己家藏的刀、矛、钢叉等武器送给战士们，和敌人展开肉搏战。由于中国军队顽强的抵抗，给日军以很大杀伤，日华北方面军不得不于２２日、２７日和２９日先后３次增调部队驰援，但始终攻不下南怀化。
　　在艰苦的攻守激战中，中国军队广大官兵英勇奋战、前仆后继。其中，中路兵团指挥官第九军中将军长郝梦龄等一批国民党将领先后壮烈牺牲，以身殉国。
　　为配合国民党军队正面抗战，八路军向日军两翼及后方广泛展开了游击战。八路军第１１５师经２０余天的作战，先后收复县城１０座，一度切断敌之后方交通线，使敌不得不借飞机输送给养，有力地配合了前线作战。第１２９师７６９团还于１０月９日夜，成功夜袭阳明堡日军机场，毁日机２４架，歼敌百余，使日军在忻口战场上一度失去了空中力量。
　　日军在忻口受阻后，为使第５师团摆脱困境，从平汉路作战的日军中抽调一部西进，从东面配合忻口日军的攻势，进至太原东面战略要地娘子关。然而，由于中方战略判断的失误，对娘子关的防守未充分重视，仓促迎战，导致娘子关失守，太原东面暴露在日军面前。此路日军对忻口中国守军侧翼构成重大威胁。为此，忻口守军于１１月１日主动后撤，忻口随即被日军占领。
　　
　　反复争夺娘子关
　　
　　娘子关位于平定县以东，井径县以西的正太线上，为晋东之重要门户。在会战开始前，毛泽东就指出了娘子关的重要性，建议国民政府派重兵扼守此地。然而这一重要建议没有引起国民政府足够重视，直到日军逼近后，国民政府才加强了对娘子关方向的防务。１０月１１日，中国守军尚未完全进入阵地，日军即在步、炮、空联合火力的掩护下开始发起了猛烈的攻击，阵地接连丢失，战至１３日，日军攻陷旧关，娘子关地区防务命悬一线。
　　为了保住山西，１５日，阎锡山限令娘子关方向中国守军总指挥孙连仲务必消灭旧关日军，夺回阵地。这样，中国军队分别于１５日、１６日和１９日三次向旧关日军发起反击，但由于相互间协同不够，使得反击行动功亏一篑。自２１日起，日军增援部队逐次到达娘子关一带，以猛烈炮火向守军阵地展开新一轮全线攻击，守军将士虽顽强抗击，但因连日血战，部队减员过多，致使防线多处被日军突破。
　　在此紧急情况下，八路军总部急令第１２９师火速向娘子关增援。师长刘伯承亲率部队于１０月１８日进抵平定以东后，随即向娘子关东南日军之侧后挺进，先后于２２日、２４日在长生口、马山村、东石门等地区伏击日军，于１０月２６日、２８日两次在七亘村重叠设伏，共歼敌４００余名并缴获大量军用物资，有力地打击了日军的嚣张气焰。
　　由于国民党军队仓促应战，战略上处处防守，兵力分散，缺乏呼应。１０月２５日，日军乘中国守军换防之际，全线发起进攻，守军猝不及防，连失阵地。２６日娘子关失陷，晋东战局急转直下。
　　为阻止和迟滞日军迅速西进，稳定晋东战局，八路军总部也于１０月２８日率第１１５师师部及第３４３旅赶赴平定西南地区，统一指挥第１２９师及第１１５师主力。１１月４日第１１５师在师长林彪的指挥下，在昔阳以西沾尚镇地区歼灭日军近千人，迫使日军不敢贸然西进。八路军的这些作战行动给日军以沉重打击，掩护了国民党军队的撤退。
　　
　　打响太原保卫战
　　
　　娘子关失守，太原告急！阎锡山为了集中兵力固守太原，遂命令忻口守军全线后撤。同时，计划以忻口和娘子关后撤的两部分军队防守太原东、北两个方向。然而两线撤退的部队立足未稳，日军即跟踪而至，部队秩序混乱。１１月６日，晋北、晋东之敌均迫近太原城下，日军从三面猛攻太原城垣，敌机轮番轰炸，太原城内一片火海，守军伤亡惨重。７日，日军东、北两路在太原会师，对太原形成四面包围。８日，日军在飞机、大炮支援下，继续攻城，突破城垣东北角及西北角。守城官兵誓死不退，一面拼杀入城之敌，一面封锁城墙各口，敌我皆为争取最后胜利，双方死伤异常惨重。黄昏后，日军向城内空降大批兵力，并四处袭击，中国守军虽奋力血战，但终因伤亡过重，无力再战，只好突围出城。９日，太原城陷于日军之手。
　　太原会战，历经１个多月，毙伤日军２万余人，虽然太原最终失守，但它仍不失为抗战初期华北战场上规模最大、战斗最激烈、持续时间最长、战绩最显著的会战之一，也是国共两党在军事上密切配合的一次成功典范。