9月13日，日军关东军察哈尔派遣兵团攻占大同，破开了晋北大门。接着，怀仁于14日失陷。日军继续南下，占领岱岳（今山阴县）、应县，向西攻陷左云、右玉。
另一路日军板垣师团于9月11日侵占察南蔚县，向广灵进攻。广灵守军刘奉滨师与日军激战，伤亡甚重。13日，第423团团长吕超俊阵亡。14日，汤恩伯军奉阎锡山令，弃守广灵。15日，坚守广灵南阵地的刘奉滨师长负伤。从广灵经乱岭关西进的日军于16日攻占浑源。20日，日军攻占灵丘，控制了涞源——灵丘——大营镇大道。
（一）平型关战役
9月19日，日军分由浑源、应县南向，在攻击凌云口和茹越口各附近阵地的同时，并向灵丘——平型关方向进犯。
阎锡山尽撤雁北各作战军于雁门关以南，守御内长城平型关——雁门关——神池一线，东向平型关方面，与侵入灵丘方向之日军板垣师团主力进行会战。
9月22日起，日军进犯平型关，从蔡家峪进攻，猛攻平型关左翼高地团城口、东西跑池等地。高桂滋军、刘奉滨师英勇抵抗。24日，高桂滋部伤亡达千余人，团城口弃守。25日，守军各部出击。是日中午，八路军第115师（林彪）在蔡家峪、小寨——关沟村山沟伏击由灵丘开往平型关的日军板垣师团辎重部队，英勇作战，歼敌数百人，缴获大车70辆、汽车75辆和大量军用物资，将蔡家峪、小寨村占领，截断平型关至灵丘间的交通。第115师平型关伏击日军的胜利，是八路军出师山西后首次获捷，鼓舞了抗日军心。