盡管日軍仍在搜捕、圍殲被困在安陽、湯（陰）一線的零散西北軍，但是由于後勤補給方面的壓力，接近三個師團的日軍不得不被迫放緩了進攻的腳步，坐視中國軍隊在他們眼前好整以暇的撤過黃河。而隨著河北河南戰區中國軍隊的有序撤退，曾經傾注過戴季良很大希望的安陽戰役至此戛然而止了。
隨著安陽戰役的落幕，華北戰局的重點就落到了津埔路沿線和山西方面。
在津埔路上，由于看到東北軍揮兵大舉入魯有取而代之的架勢，韓復 不得不下令第8集團軍作出一副奮戰的架勢。鑒于曲阜和濟寧的孫桐萱部對第五廣島師團西進的三浦支隊的側面存在可能的威脅，鑒于安陽戰役已經落幕，西進包抄的策略已經失敗，板垣征四郎遂改變了徑直殺入魯西南平原地帶的方針，下令第5師團主力退回泰安。隨即以步兵第11聯隊為主組成長野支隊向東沿膠濟鐵路進攻淄博、青州，最後協助海軍陸戰隊佔領青島。再以步兵第21聯隊第1、第2大隊及野炮兵第5聯隊一部組成粟飯支隊進攻萊蕪一線，擊退守軍曹福林部。至于其余各部暫作休整，以便匯合第109師團後再行沿津埔路南下。
在山西方面，東線娘子關的第20師團在四倍于己的中國軍隊的頑強抵抗之下進展緩慢，不得不在壽陽以東地域等待補給物資和後方援軍。而北線的關東軍第2師團、第1、第2混成旅團以及華北方面軍中國駐屯軍混成步兵旅團則因為天寒地凍道路不良于行，被迫暫時放棄對綏遠西北軍的進攻，主力折向雁門關、平型關之線。
出于對北面日軍強大壓力的擔心，閻錫山在嶺口召開軍長以上人員參加的軍事會議，研討作戰方案。會上，他根據1927年參加北伐時與奉軍大戰于靈丘、繁峙間的戰例，提出了把日軍放進平型關以內進行圍殲的計劃。即以逐次抵抗的方式，誘敵深入到砂河以西地區，然後從恆山、五台山兩方面發動鉗擊，並截斷平型關要隘，會殲日軍于滹沱河上游砂河大營間的盆地里。閻錫山稱之為「口袋陣」，要「把敵人放進口袋里，給以狠狠的打擊!」
其具體部署為︰
在平型關方面以孫楚第33軍的章拯宇獨立第3旅和孟憲吉獨立第8旅及從廣靈退守的李俊功第101師，在關正面排列阻擊；杜春忻第師和馮鵬翥第7師在關北側的團城口一線佔領陣地。其任務是先依險要地勢阻擊，予敵以傷殺，然後主動向南經大營、砂河移至五台山，作為南機動兵團，待機出擊。總指揮為孫楚，指揮所設于大營。以上兵力計3個師又2個旅。
茹越口方面以楊澄源第34軍史澤波第210旅、姜玉貞第19旅和梁鑒堂第203旅，分守北樓口、大小石口、茹越口間的已設陣地，重點防守繁峙北的茹越口。並將第4集團軍直屬的高璽波第208旅調至繁峙以北地區，歸入第34軍序列。第2預備軍置于繁峙待機。以上兵力計1個師又5個旅。
雁門關方面以陳長捷第1軍劉譚馥第200旅、馬延守獨立第7旅和劉效曾第1補充團，等部東連第34軍，扼守五斗山、馬蘭口、虎峪口、水嶺口至陽方口間的陣地，重點防守代縣與雁門關間。並以梁春溥第72師和于鎮河新編獨立第4旅編為第1預備軍，置雁門關南代縣。以上兵力計1個師又3個旅1個補充團。
陽方口方面由傅作義第35軍劉奉濱第73師和魯英麟第218旅，配屬第1軍之呂瑞英第9師負責。第35軍于寧武集結後，向代縣東進，適時進出于繁峙以北的恆山方面，與劉茂恩軍組成北機動兵團，由傅作義指揮，從繁峙北翼展開，俟敵膠著于繁峙主陣地時，圍而殲之。
另以趙承綬騎兵第3軍彭毓斌騎兵第1師、孫長勝騎兵第2師在神池、朔縣，擔任側翼警戒。
以上總兵力約計10萬人，（欲）與日軍在砂河及繁峙城間進行決戰。閻錫山對此計劃頗為滿意，自詡為︰「布好口袋陣，讓敵人進得來，出不去。」因此，他信心倍增，親自召集有關將領到嶺口行營，面授機宜，並率眾將領至繁峙、砂河間的主陣地帶，進行周密的實地勘察，以便選定極扼要地形，構成最堅固的「口袋式」縱深陣地網。這還不放心，又派高參前往平型關、團城口、恆山各方，向孫楚、傅作義、陳長捷等傳達指示。
但日本人並不會按著閻錫山的劇本來演出，正當閻錫山謀兵布陣，調兵遣將，尚未部署完畢之際，日軍兩路大軍已氣勢洶洶殺將而來，一場激戰由此展開。
12月17日，日軍混成第2旅團先頭部隊步兵第57聯隊第3大隊到達平型關，與擔任修築工事的獨立第8旅展開激戰，守軍1個連傷亡過半，陣地易手數次，失而復得。次日拂曉，日軍主力四五千人到達，又向平型關、團城口一帶陣地，大舉進攻，並以數十輛戰車沿公路向平型關推進，孫楚問詢當即命令杜春忻第師出擊。
日軍以飛機、大炮、機槍和坦克猛攻，沖擊平型關。敵我相距僅400米左右，雙方短兵相接，形勢危急。419團長張成義身先士卒，率一連步兵，阻擊敵軍，不幸中彈負犧牲，戰況更趨緊張。孫楚急令章拯宇獨立第3旅增援，該旅兩個團先後參加戰斗，戰斗極為激烈，雙方傷亡慘重。日軍不斷增加，並在飛機的配合下，攻佔了晉軍據守的高地，全線被敵控制。閻錫山聞訊大為震驚，提出懸賞萬元奪回高地。第師第418團遂奉命組織奮勇隊，冒著敵人的炮火奪回高地，戰局才轉危為安。
與此同時，日軍2000余人進攻東跑池西北高地，因第101師尚未全部到達指定位置，高地僅有獨立第8旅2個連，經奮力苦戰一夜，終因後援不繼而全部犧牲。日軍繼續深入，第101師、第7師等部相繼趕到，與日軍交火。激戰至24日午後，我方始將敵擊退，收復東、西跑池及附近高地。
為了確保平型關安危，12月19日，閻錫山調整部署命令傅作義率領預備軍增援平型關與楊愛源聯合指揮作戰，並調動第5集團軍安華亭新編第5旅、石玉山新編騎兵第2旅赴西河口地區待命，第71師于當晚向大營東北地區前進，第72師即向砂河集結待命。
日軍正面進攻相持不下之際，混成第1旅團獨立步兵第1聯隊于12月19日從渾源出發，次日晨到達羊投崖，向南進攻，遇到守軍抵抗，戰斗沒有進展。21日，該部日軍被迫從該地撤出，轉進到棚子溝方面，企圖由龍嘴村、大坪村直搗大營，斷我平型關守軍退路。但在龍嘴村一帶遭到第33軍的阻擊，激戰兩日，仍未突破我防線。
12月23日，傅作義率預備軍兩個旅到達平型關。日軍亦增兵5000人，分別向東西跑池、高地、團城口及講堂村各處猛攻，炮擊甚烈。激戰終日，終因我軍傷亡過重，高地及東、西跑池再度陷于敵手。
此時，閻錫山徹底放棄了原來把敵人放進關內，進行「砂河會戰」的計劃，而（欲）與敵在平型關外決一雌雄。本來，戰斗開始不久，閻錫山就听信孫楚等人的建議，對原定作戰計劃有所動搖，令平型關、團城口一線所部固守，相機出擊。而現在閻又見雁北方面的敵情無多大變化，又覺得平型關外的局勢大有可為。于是他一面命令郭宗汾第71師堅守澗頭、迷回陣地；一面令在代縣的陳長捷第1軍火速馳援平型關。
但是，戰事的發展瞬息萬變。正值傅作義指揮部隊向敵反擊時，敵主力又轉向團城口方面猛攻。團城口位于平型關北5里處，為平型關隘前的制高點，也是晉北主陣地之要點，一旦被敵突破，則雁門關感受威脅。結果守軍孟憲吉獨立第8旅以不足千人的兵力血戰日軍兩個全副武裝的大隊，力戰不敵被迫棄守團城口，隨即東、西跑池以北的鷂子澗、六郎城一帶險要陣地也相繼為日軍所佔領。
團城口丟失，第71師及王子修新編第旅不得不佔領迷回村、黃圪底窳一帶，構築陣地，先對敵進行阻擊，激戰至中午，將日軍右翼擊潰，奪回數個山頭，穩住了陣腳。陳長捷又率第9師及時趕到，隨即乘勝反攻，由公路兩側出擊，奪回鷂子澗一帶高地，將日軍包圍于東、西跑池之深溝內。這樣就「將出擊的作戰變為爭奪山頭」之戰。
日軍隨後又以中國駐屯軍山下奉文旅團由蔚縣增援平型關。24日，該敵加入團城口、鷂子澗、六郎城一帶的戰斗，並集中兵力向迷回村方面猛攻。25日拂曉，日軍步、空、炮協同作戰，向迷回村、蓋房溝等陣地發動全面攻擊。同時，日軍第2師團為直接支援前期作戰，派遣獨立步兵第11聯隊聯隊長千里貞雄大佐率千里支隊經渾源向平型關中國軍隊左翼繞攻，在西河口一帶遭到守軍的抵抗，終未得逞。2日，晉軍第71師2個團，向六郎城、鷂子澗日軍攻擊，連奪山頭、村莊數個，殲敵1000余人。但程繼賢第434團，因突入太深，被敵包圍，除數十人突險外，其余自團長以下均壯烈殉國。孫楚即令安華亭新編第5旅支援，日軍也增兵反撲，敵我雙方在團城口一線膠著，呈對峙狀態。
正值平型關鏖戰之際，日關東軍第2師團主力南下應縣，于24日向恆山與雁山的鄰接部茹越口發動猛攻，以策應平型關方面的日軍。茹越口亦為內長城防線的交通要沖，是從應縣至繁峙必經之處，向為兵家必爭之地。閻錫山雖在此處築有國防工事，但山地縱深較淺，守軍兵力單薄，僅有第34軍梁鑒堂第203旅防守。其後方25里險要的鐵角嶺、五斗山，雖有既設陣地，卻未布置守兵。戰斗一開始，敵步炮聯合4000余人，在炮火掩護下，向我陣地猛攻。該旅第227團頑強抵抗，損失慘重。這時，閻錫山即令第34軍派隊出擊。日軍也增兵，戰事均無進展。翌日，敵再度強攻，激戰至午防線被突破。梁鑒堂率余部退守繁峙以北的鐵角嶺陣地，繼續抵抗。閻錫山又命預備軍3個團投入戰斗，但未能阻止日軍。2日，日軍得到補充後，以重兵猛攻鐵角嶺陣地，梁鑒堂督率余部與日軍鏖戰，最終自旅長以下官兵1400人全部殉國，陣地失守。日軍乃向繁峙急進，27日下午三時繁峙城失陷。
繁峙失陷讓閻錫山六神無主，在左右受敵，心膽俱寒的情況，閻錫山听從了楊愛源關于「繁峙之敵有可能經峨口直竄五台山」的微妙提醒，深恐通往五台山的退路被截，于是決定縮短戰線，各路大軍向五台山區的神堂、車廠、樓圪梁、峨口、峪口，經代縣、雁門關至陽方口之線轉移，佔領斜角陣地阻敵。12月30日下午，閻錫山抵達台懷鎮，正式下達了由內長城防線全線撤退的命令。
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