另一方面，八路军还以部分兵力直接袭扰敌人第一线，协同友军作战。如10月19日夜，刘伯承第129师第769团以一个营的兵力夜袭代县西南的阳明堡机场，毁伤敌机20架，歼敌百余人。这次袭击有力地削弱了敌空中攻击力量，援助了忻口友军正面作战。卫立煌在忻口会战后不久因此盛赞“八路军确实是抗日的，是复兴民族的最精锐的部队”。
然而到了10月底，忻口战场局势恶化。赶来晋北的第14集团军由于连续冲杀，战斗力渐渐不支。另外，晋东告急，太原告警，第二战区作出新的部署。战区司令傅作义回太原组织城防，把杨爱源派去晋南组织防御。卫立煌下令部队停止反击，并请求增兵。11月2日夜，在忻口作战的中国军队奉命撤离阵地，向太原撤退。11月8日夜，日军从太原城北突入，经过激烈巷战，傅作义率守军2000余人向西山突围，太原失守。
忻口战役创下歼敌逾万的纪录，虽然最后中国方面失利，付出了重大牺牲，它的意义仍不容低估。中国守军英勇抵抗，消耗了大量敌军。此役还破坏了日军的河北平原会战计划，为平汉线中国军队南撤赢得了宝贵的时间。
八路军政治部主任任弼时高度评价了忻口战役的功绩：“敌曾以全力猛攻忻口，遭受了忻口抗战部队的猛烈的袭击。忻口战争是华北抗战中最激烈的战争，郝、刘两将军在前线同时作了壮烈的牺牲，卫立煌将军指挥下的全线部队，虽遭受了重大伤亡，毫未动摇；许多忠勇将士的英勇奋斗，是值得每个同胞永远纪念的。”