1937年10—11月，为了保卫山西、保卫太原，中国军队在太原及其以北要隘忻口地区与日军展开了激烈的大会战。在这场大会战中，八路军与国民党友军进行了密切配合。

忻口是太原北面最后一道防御屏障，地势险峻。1937年10月初，日军第5师团及察哈尔派遣兵团一部突破中国守军防御后奔袭太原。忻口为日军必经之地。忻口两面是山，东为五台山，西为云中山，山峦起伏，中间河穿越山谷，同蒲铁路河一条公路沿河岸纵贯南北，战略地位十分重要。

中国方面极为重视忻口防御，第2战区集结重兵阻击日军，在忻口及其外围要地与日军进行了为期1个月的激烈作战。日军在进行外围作战后，从10月13日开始在坦克、战车、大炮、飞机的配合下向忻口正面中国守军阵地发动一轮又一轮的猛烈进攻，但中国守军与日军展开反复的攻击与反攻击战，中国军队广大官兵英勇奋战、为国捐躯，其中，第9军军长郝梦龄中将不幸牺牲。由于中国军队的顽强抵抗，给日军造成很大伤亡，双方形成拉锯战，日军始终未能突破中国忻口守军阵地。

为此，日军从平汉路作战日军抽调一部西进，从东面配合忻口日军的攻势，进至太原东面之战略要地娘子关，然而，由于中方战略判断的失误，对娘子关的防守未引起充分重视，仓促迎战，导致娘子关失守，太原东面暴露在日军面前，同时，此路日军对忻口中国守军侧翼构成重大威胁。为此，忻口守军主动撤守，回防太原，忻口作战结束。随后日军从东、北两面夹攻太原，中国军队进行了太原保卫战。由于太原此时已成为一座孤城，无险可守，虽经守军激烈奋战，但不能阻止优势敌军，战至11月7日，城内守军突围南撤，太原遂告陷落。

这次会战中，八路军积极配合友军作战，给敌以重大牵制。在忻口作战中，八路军为配合友军作战，向日军两翼及后方广泛开展了游击战。或阻敌之增援部队，或袭击敌之后方，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。10月19日，八路军还破坏了敌之阳明堡机场，击毁击伤日机24架，歼敌百余，使日军在忻口战场上一度失去了空中力量。在太原东面娘子关方向，八路军四处出击，袭击日军，取得多次袭击战的胜利，迟滞了日军的推进，并掩护了友军的撤退。

忻口、太原会战历时一个多月，中国军民共毙伤日军2万余人，是抗战初期华北战场上规模最大、战斗最激烈、持续时间最久、战绩最显著的会战之一。