2 中央地区：东起界河铺，西至新练庄，其中下王庄、弓家庄、旧河北等村与云中河南的界河铺、关子（官庄）、南怀化（河南）为主要作战地域。中央兵团负责本地区作战。
3 左地区：东自新练庄，西至南峪，其中大白水、朦腾、南峪等村为主要作战地域。左翼兵团负责本地区作战。
卫立煌并就新作战地区重行部署如下：
1 空军指挥官：北正面空军司令陈栖霞，辖各类飞机共4队。
2 右翼兵团：辖第15军，由该军军长刘茂恩任指挥官，指挥部设在受禄村。
3 中央兵团：辖第9军、第21师、炮兵第23团及第26团之一营、战防炮营装甲2队，由第9军军长郝梦龄任指挥官，第61军军长陈长捷任副指挥官，指挥部设在忻口西北高地后沟战备窑洞内。（先后增援的部队有第13军1个团、第19军9个团、第33军5个团、第35军8个团、第61军8个团。）
4 左翼兵团：辖第14军15个团、第94师4个团、第33军3个团、第34军4个团，由第14军军长李默庵任指挥官，指挥所设在沙洼村。
5 总预备队：为第17军、第34军第203旅残部，共约5个团兵力。
12日，卫立煌又进一步明确所部部署和任务，即：
1 飞行队着于明日（13日）起应逐日派机侦察原平以南之敌，以侦察原平、崞县、代县间敌后续部队之状况。
2 右翼兵团应仍占领上社村、营房里、灵山之线，重点置于左后方，与中央兵团确取联系，并于下庄子、东新庄、东西岔村各要点配置警戒；另以一部向右前方对代县以南地区尽量活动，确实掩护军右侧之安全，并以一小部占领南神头、享子头以东高地，为尔后转移攻势的支撑点。
3 中央兵团仍应占领三家庄以北界河铺、南怀化、新练庄之线，重点置于中央右后方，与左右两兵团确取联系，并于板市、下王庄各处占领前进阵地。
4 左翼兵团仍应占领秦家庄、大白水、南峪之线，重点置于中央后方，与中央兵团确取联系，并于后城头及1482高地之线配置警戒，并以小部向神山以南地区活动，确实掩护军左侧之安全。
5 炮兵应以一部置于红沟以北地区，主力于刘村、大唐林地区占领阵地，先制压敌炮兵，并阻止敌前进；尔后以主力指向左翼兵团正面之敌，直接协助该兵团。
总预备队之位置：第17军（欠第21师）仍于西冯村附近；独立第5旅仍于忻县附近，尔后赴关城镇归建。
各兵团的作战分界线规定为：
1 右翼军与右翼兵团间为东冶镇、天池沟迄代县相连之线。
2 右翼兵团与中央兵团之间为大有张村、寺家庄、南郭下亘原平以东滹沱河右岸相连之线。
3 中央兵团与左翼兵团间为泉子沟、秦家庄、王家庄、小原平、班村、田家庄相连之线。
4 左翼兵团与左翼军间为东峪、盘道底、山水村相连之线。
日军攻占原平以后，原用于平汉路的第9旅团的步兵第11联队已用火车运送到原平，当即以部分兵力有选择地对忻口守军防线袭击，实施战役侦察，并确定了攻击的时间与部署。
日军将攻击部队区分为左、右两翼。左翼第21旅团第20联队第1大队展开于东泥河、王家庄、弓家庄之线，准备向下王庄守军阵地攻击；第2大队展开于旧河北村两侧，这支攻击的主要突击部队准备向南怀化守军阵地攻击；第3大队位于永兴、石河地区，为旅团的预备队。第42联队3个大队一线配置，第1大队在中，第2大队在左，第3大队在右，展开于池上、新练庄，准备攻击南怀化以南高地。右翼独立混成第15旅团的和堤支队也展开于兰村、阎庄、卫村、水油沟和麻岗之线，准备对大白水、朦腾一线守军攻击。
担任第一线攻击任务的日军步兵于12日拂晓前进入进攻出发位置。此时中国守军也已进入防御阵地。一场大规模的攻、防战斗即将展开。
（三） 守军反击失利
13日拂晓，日军先以一部兵力向忻口前进阵地实施威力侦察。8时许，日军主力在20余架飞机、数十辆坦克和猛烈炮火的掩护下，集中兵力向中央兵团南怀化阵地发起猛攻，企图从中间突破，一举攻下忻口守军主阵地。激战至10时许，南怀化沿云中河阵地被日军火力摧毁，守军伤亡殆尽。由于援军未能及时赶到，日军乘机渡河，突破南怀化阵地，并继续向纵深发展，攻占了1300高地。郝梦龄以第21师的第125团、第124团堵截反击，经奋战后，于15时左右夺回1300高地，将日军压迫于云中河南岸。此时，左翼兵团阎庄阵地亦有3000余日军突入，但第10师坚强反击，将日军击退。
卫立煌与傅作义判断：当面之敌在猛攻受挫后损失惨重，势必整顿态势，并求得增援后方可再行攻击。为乘机转移攻势、歼灭当面日军，卫立煌于13日12时致电阎锡山，请准以预备军一部从中央地区出击。阎锡山为使主力部队作战容易，又令左、右两翼军积极向敌后活动，破坏并阻止日军增援；同时，将左翼军的第68师（即独立第8旅）孟宪吉部与第71师郭宗汾部转隶中央军。
依据阎锡山的部署，傅作义即令第35军、第61军向界河铺推进，准备出击。同时，卫立煌与傅作义在忻县共同决定：
1 以第9军（欠第47师）附第21师，在现阵地坚强抵抗敌之进攻。
2 以第14集团军由大白水附近、第7集团军由忻口附近出击，协同夹击当面之敌。
卫立煌于当日13时下达命令：
1 飞行队应于明（14日）晨开始活动，担任军攻击前进间之制空，掩护第一线兵团之攻击，并侦察崞县、原平及其西南之敌情。
2 右翼兵团应以一部固守营房里至灵山原阵地，其余于明日（14日）拂晓向桃园、北郭下之敌攻击，与第7集团军密切联系，竭力胁威原平南北之敌增援部队，并控制一部于峙峪附近，依情况出原平以北地区，截敌退路。
3 中央兵团须于本日晚歼灭侵入南怀化附近之敌，确保原阵地，为第7集团军出击之支援。
4 左翼兵团应于明日拂晓以主力逐次向永兴村及其以北高地之敌包围攻击，一部与第7集团军协力击歼侵入南怀化之敌后，再向王家庄、安家庄一带之敌攻击。
5 第71师着于本日黄昏前接替阎庄、水油沟迄山水一带第14军及第85师阵地之守备，并为该军出击之支援，尔后即归14军李军长指挥。
6 炮兵队应于明日拂晓直前先行制压敌炮兵，尔后以主火力直接协同第7集团军及第14军，尔后随军进展，逐次向前方变换阵地。
7 总预备队仍于原位置待命（见12日部署）。
8 各兵团作战地境（线上属右方兵团）：
（1） 右翼兵团与第7集团军：为寺家庄、南郭下沿滹沱河右岸桃园东端、大库狄东端、原平东端相连之线。
（2） 第7集团军与左翼兵团：为新练庄、前城头、王家庄、上下原平、班村、文殊庄相连之线。
9 军补给及卫生：应于明日起，于忻县兵站保有10个师3日份之粮秣，弹药集积于太原，须有能按第一线兵团所需数量随时追送之准备。第4医院设于忻县匡村，第8医院设于忻县新营房，并于播明、奇村镇各设患者收容所1个。
上项命令下达后，令第19军向忻县推进。
卫立煌又于15时许以电话指示右翼兵团刘茂恩：“中央集团军决于14日向敌攻击，贵军除留相当部队固守营房里、龙王堂、灵山之线阵地，并派一部对北警戒外，应以有力部队集结适当地点，准备向桃园、北郭下进出，威胁日军侧背，待命前进。”同时以电话指示左翼兵团李默庵：“第14军应自左翼刘庄、南峪方面向阎庄、卫家庄、1482高地之线之敌攻击，进出楼板寨之线。”
刘茂恩基于以上指示，于23时作如下处置：
1 着第65师和第195旅马琪臻旅长指挥所部及第194旅之第388团即向谈儿庄、大莫村一带前进。第65师炮兵营归第194旅旅长姚北辰指挥，于明日（14日）协力夹击渡河之敌后，在谈儿庄附近占领阵地，以能射击东营村、大小库狄、栎园各附近为主。第64师师长武庭麟抽派1个团以上兵力，至西南贾村附近，于明日拂晓将渡河之敌夹击歼灭后，即于大莫村及东、西荣华附近待命。
2 第64师炮兵营于明日晨协助战斗后，在西荣华附近占领阵地，以能射击桃园村、唐林岗各附近为主。
3 各部队应准备徒涉场。
李默庵基于上项指示，下达如下处置：
1 军以第10师应固守秦家庄、大白水之线，并推进警戒阵地于兰村、阎庄之线。
2 第83师应于刘庄西附近集结，尔后向卫家庄、南庄方面之敌攻击，进出永兴村、北太常之线。
3 第85师将现阵地交由第71师接替，限本日（13日）24时交接完毕，即派有力1旅之兵力，自朦腾村、南峪之线向水油沟、麻港村附近高地之线之敌攻击，先进出1482高地东西之线，尔后进出观上村、楼板寨之线。其余为军预备队，位置于沙凹附近。
4 第83师与第86师作战地境为刘庄、水油沟东侧1公里茹家庄相连之线，线上属第83师。
13日夜，总预备军参加反击的第61军之新编第4旅、第35军之第218旅及独立第2、第3旅等，均已到达界河铺附近反击出发地位。各兵团的反击部队亦已准备完毕。14日凌晨2时许，忻口守军开始全线出击。
主要反击方向的中央兵团方面，第54师、第21师及新编第4旅向南怀化日军反击。战斗开始后，日军援军迅速投入战斗，亦实施攻击。双方争夺极为激烈。第218旅击退日军连续4次冲击，旅长董其武负伤不下火线，坚持指挥战斗；第21师师长李仙洲、新4旅旅长于镇河亦在战斗中负伤。激战至暮，双方均无进展。
左翼兵团方面，第101师向阎庄以东之旧练庄日军反击，第83师及第85师第253旅向卫家庄、麻港日军反击。战斗开始后，第10师于拂晓攻占练庄；与此同时，卫家庄日军亦攻入该师大白水左翼阵地。李默庵当即抽调第83师1个团援堵。第83师主力及第253旅继续向卫庄、麻港攻击。激战至晚，双方无进展。
右翼兵团方面，当第15军抽调部队准备向桃园村日军反击之际，日军约1个联队亦由南郭下渡过滹沱河向灵山阵地进攻。守军顽强抗击。激战至夜，日军被压迫于滹沱河南岸至灵山脚下一线。
14日20时许，卫立煌率独立第5旅至忻口督战。为便于指挥，调整了部署：令陈长捷指挥第21师、独立第2旅、独立第3旅（欠第4团）、新编第4旅，负责肃清南怀化之日军；令郝梦龄指挥第54师附独立第3旅之第4团、第218旅、第217旅，担任正面守备及向当面日军实施反击。
15日拂晓，忻口正面守军第217旅及第218旅分别由下王庄左右两侧向东泥河及中泥河日军反击。经激战后，第218旅于7时许攻占中泥河。但第217旅未能攻克东泥河，被增援的日军击退。中泥河遂形成突出，正面受敌，第218旅被迫撤回。南怀化方面的日军于拂晓开始向守军1300高地发起攻击；守军顽强抵抗，并多次组织反冲击，经7次反复争夺，终将日军击退，双方形成对峙。
15日晚，兵团长郝梦岭与军长陈长捷协商，决定于16日凌晨2时攻击当面之敌。其部署如下：
1 第54师之第162旅（欠1个团）向官村左前方之敌攻击。
2 第21师之第63旅向南怀化以北之敌攻击。
3 独立第5旅由现地向南怀化东端之敌攻击。
4 新编第4旅务强攻占领南怀化。
5 第54师第322团为向导队，分属于第63旅、独立第5旅、新编第4旅。
6 独立第2旅、第3旅协同右翼各部增援第4旅，向南怀化之敌攻击。
7 第21师之第61旅由1300高地向新练庄东北之敌攻击。
8 第68师由秦家庄、新练庄向前后城头协歼该敌。
9 第10师派兵一部由兰村向后城头协攻。
10 第217及第161旅攻击龙泉庄、下王庄以北之敌。
11 第218旅攻占旧河北后，向南怀化敌背后攻击，第211旅孙兰峰旅长即赴下王庄接替董旅长之指挥。
12 第211旅、第19军之第209旅于金山铺、跑池村集结，为预备队。
13 以上各部队均于16日2时开始行动。
忻口正面日军不断增兵，在中央兵团正面即集中三四万兵力。因此阎锡山于15日电令第18集团军总司令朱德指挥五台山区的部队截断敌后交通，阻敌后续兵力；饬第73师刘奉滨部及第101师李俊功部之第201旅附第399团，迅速轻装赶到忻县，归入预备军序列。
在忻口正面向南怀化反击的5个旅（独5旅、独2旅、独3旅、新4旅及第63旅）于凌晨2时开始攻击，广大官兵英勇战斗。但由于阵地狭窄、地形复杂，天色又暗，战斗力难以充分发挥，双方混战多时，伤亡均重，且无进展。在前沿指挥的第9军军长郝梦龄与第54师师长刘家麒先后中弹牺牲。激战至天亮，双方均伤亡数千人，独5旅旅长郑廷珍壮烈殉国。由于日军拼死顽抗，火力又强，守军除将南怀化以南日军基本肃清外，收复南怀化阵地的意图未能实现。卫立煌指令第14集团军参谋长郭寄峤任第9军军长，第161旅旅长孔繁瀛任第54师师长，并指定第61军军长陈长捷统一指挥中央兵团继续作战。
卫立煌感到此次抗战兵力原非优势，战斗6日，伤亡及半，而日军以汽车300余辆运到援军1万余人；16日战况空前激烈，连失数将，损耗过巨，需增兵以挽战局。遂将此情况电呈军事委员会。旋即接蒋介石电示，告知已令�