卫立煌鉴于南怀化为全线锁钥，关系忻口战役的全局，遂决定集中第21师、独立第2、第5旅及新编第4旅等部共5个旅的兵力，歼灭南怀化日军；并以第68师由秦家庄、旧练庄向前后城头行动，夹击该敌。限于16日零时前后开始攻击。
阎锡山得知当面之敌增加，恐中央集团军兵力不足，遂电令朱德总司令指挥所属截断敌后交通，以阻敌续增；并即派第73师及第101师之第201旅等部，迅速轻装赴忻县，归傅作义指挥。
16日2时，南怀化阵地反击战正式展开。第218旅由弓家庄向南怀化敌侧背攻击，7时攻占旧河北，9时占领南怀化北端河岸。是时，日军飞机10余架，协助其地面部队一再反扑，终被击退。
郝梦龄率部向占领南怀化之敌奋勇反击，阵地得而复失、失而复得，战斗异常激烈。经昼夜激战，占据南怀化以南之日军，大部被歼。此战，日中双方军队均伤亡数千人，第9军军长郝梦龄中将（牺牲后被迫晋为上将）、第54师师长刘家琪少将（牺牲后被迫晋为中将）、独立第5旅旅长郑廷珍少将等，均壮烈殉国。
连日鏖战，部队伤亡惨重，卫立煌除派陈长捷统一指挥中央兵团各部队继续作战外，并电呈蒋介石，请求迅筹援军。蒋介石即派第22集团军之第41军由潼关一带兼程驰援。阎锡山也急令第94师及第177师之第529旅由五台山之耿镇、龙泉关一带星夜赶赴兰台镇、二十里铺间，归卫立煌指挥。
与此同时，日军汽车400余辆，满载步兵，由团城口西进。卫立煌遂决心固守阵地，以等援军到达，再行反击。乃令第217、第218旅分别撤至忻口附近集结；第54师界河铺北岸之一部亦撤至界河铺以南占领预备阵地。并以第19军军长王靖国为中央兵团总指挥，第61军军长陈长捷为副总指挥。是日24时，卫立煌又对部队部署作了调整，将部队区分为左地区队、右地区队、中央地区队（即原左、中、右翼兵团），分别配置于张家庄、灵山、界河铺、大白水、南峪之线阵地，待后续部队到达，再由两翼转移攻势，包围歼灭当面之敌。
17日至19日，日军陆空协同不断向中央集团军之灵山、南怀化东北高地、官村、大白水等阵地猛烈攻击。守军击毁其坦克、装甲车各20余辆，使日军攻击未能得逞。自20日起，日军先后对中央集团军各阵地施放大量催泪性毒气，并向守军阵地实施爆破。
22日，日军增援部队萱岛支队也投入了战斗。守军顽强抗击，并适时组织反突击，双方形成拉锯战，战至11月1日，守军虽“战斗员伤亡三分之二以上”，“日耗两团上下”＇中国第二历史档案馆：《抗日战争正面战场》上，1987年版，第510页。＇，但阵地仍巍然屹立。
还在日军准备向忻口进犯时，八路军各部队即根据中共中央军委和八路军总部的部署，向敌侧后展开了积极主动的攻击。第115师独立团于10月10日夜，攻占涞源县城。第120师之第358旅主力于10月8日，夜袭宁武县城。该师雁北支队于10月1日袭占朔县以北之井坪镇（今平鲁县城），4日又收复平鲁县城（今平鲁镇）。接着该支队对同蒲铁路朔县至大同段展开破袭战，10日在辛庄伏击敌运输队，随即逼近大同。
当日军主力于10月中旬向忻口阵地发起攻击后，八路军向该敌两翼及后方广泛展开了游击战。
第115师之第344旅主力于10月13日至14日在平型关东北小寨村附近，断绝日军交通。
15日，截击由灵丘方向驶来的日军汽车130余辆，并打退该敌一个营的数次反扑，迫其退回灵丘。接着第344旅主力干当日夜袭团城口，随后收复平型关及浑源具城。第344旅之第688团于15日夜袭沙河镇日军，缴获大批粮秣和军用物资。
18日，该团又一举攻克繁峙。
第115师独立团和骑兵营等部，则向察南、冀西之敌展开进攻。15日，独立团于广灵以南之冯家沟设伏，歼灭日军步骑兵100余人，缴获满载军用物资的大车120余辆、骡马300余匹。16日乘胜收复广灵县城。随后收复灵丘、蔚县、易县、浑源、阳原等县城。向冀西挺进之骑兵营等部，于18日克复曲阳县城。至29日，骑兵营等部又连克平山、唐县、完具等城，严重威胁了日军平汉铁路北段的交通。
经20余天的作战，第115师先后收复县城10座，切断了张家口至代县间日军后方交通线。
第120师向进攻忻口之日军右翼及后方展开广泛袭击。其第358旅旅部率第715团于10月13日夜向崞县西南之日军进击，一举攻占大牛店。随即于14日乘胜向南北大常、永兴村之敌进袭，毙伤日军120余人。第358旅之第716团深人日军侧后，打击敌人的运输队。
18日，该团在黑石头沟公路两侧进行伏击，毙伤日军300余人，击毁汽车20余辆。
20日夜，又以一部袭占雁门关；另一部破坏了广武至大和岭间的公路及桥梁，一度切断了雁门关至忻口的交通。
第359旅（欠第718团）在日军向忻口阵地发起攻击之时，星夜由平山地区进至忻口西北侧击敌人。10月23日，该旅在阳明堡西南之王董堡伏击日军运输队，毁敌汽车7辆。此后，不断袭扰过往日军，使敌交通运输进一步陷入瘫痪。
由于第115师和第120师的积极作战，使进攻忻口之日军与大同、张家口的交通中断，粮、弹、油料等供应断绝，迫使敌人不得不借飞机来输送给养