第9三个轰炸机大队全部调至石家庄附近各机场。
15日1时，阎锡山指示黄绍？、孙连仲及曾万钟：（一） 娘子关附近作战，交孙总司令指挥；（二） 限16日将旧关之敌完全解决，并赏洋5万；（三） 总司令及军长均应亲身严行督战。
2 第二次反击
由于雪花山、旧关一带国防工事多被日军占领，而且旧关日军又调来援兵，后续部队仍由井陉源源西进，战局至为紧张。为在援军到达之前稳定态势，黄绍？于15日19时下达命令：第3军为攻击主力，对旧关之敌攻击；第27师限今日（15日）将关沟之敌肃清，以主力在龙窝附近断敌后方联络，一部协同第3军会攻旧关；第27路军工兵营附辎重兵营、第17师、第21师第92旅（欠1个团）固守原阵地地都堵击敌人；第30师抽兵2个团，协同第17师坚守乏驴岭。
由于正太线上的战斗主要集中在旧关进行，所以日军增援的后续部队第78联队主力全部使用在旧关方面。15日夜，第78联队到达旧关地区，步兵第39旅团长高木义人进至井陉指挥作战。
第四部分：华北作战正太路沿线作战 4
16日拂晓，守军对旧关日军开始发动反击。日军也在炮火掩护下出击。双方激烈交战。昨夜袭占核桃园的第34旅，在日军猛烈炮火及日机连续轰炸下无法固守，被迫退回旧关东南高地。8时，第27师的第157团将关沟附近日军肃清。正午，日军将守军工兵营阵地突破。适奉命增援的第38军教导团赶到，与工兵营一起激战到20时，将突入的日军击退。双方激战终日，旧关仍在日军手中。当夜第26路军所辖第30师派队向井陉出击，亦未能奏效，于17日拂晓撤回。
3 第三次反击
占领旧关的日军以其优势装备，利用守军原筑国防工事坚守。中国军队连日艰苦反击，但未能将其击退。为确保晋东门户、进出井陉、夺回石家庄、截断沿平汉路南下日军的退路，孙连仲决心击破当面之敌，再次组织向旧关反击。
16日20时，根据黄绍？的意图，孙连仲命第3军以一部封锁大小梁家、北洋沟、红土岭各要点，阻敌后续部队前进；命第27师以有力一部占领长生口及大、小龙窝附近，协同敌后的工兵营向旧关的日军反击。命各部队于17日拂晓开始反击，务求将敌包围歼灭。
为策应各方面作战，孙连仲又令第27师第30旅第160团的主力集结于苇泽关附近，令第31师池峰城部集结于程家铺，为总预备队；令第30师主力转移东、西葛丹附近，第42军第44旅移阳泉待命。
10月17日2时，第38军教导团首先向黄石嘴以西日军攻击，战斗约1小时后攻占日军阵地右翼，因日军顽抗，形成对峙。拂晓，第3军第12师第35旅从甘桃驿向旧关东南攻击，第42军第27师之一部向旧关之北攻击。9时，日军凭借飞机支援，分向旧关以西及地都一带守军阵地进攻。双方激战至傍晚。入夜后，第3军第34旅及第19旅各1个团、第35旅之一部及第27师第79旅的2个连分向长生口、大小龙窝、核桃园及旧关一带袭击。激战竟夜，双方伤亡均甚重。守军无重大进展，于18日拂晓撤回。
18日2时，第31师派1个团接替损失惨重的第38军教导团的阵地。拂晓，日援军800余人到达大、小龙窝以南山地，与旧关日军互为呼应，分向第31师黄石嘴、第27师关沟及1000高地进攻。激战终日，由于守军顽强阻击，日军未能得逞。
傍晚，因第159团伤亡过大，该团归还第80旅建制，其阵地由该旅160团接替防守。
黄绍？决心夜袭旧关，令第30军第31师以敢死队进入旧关市内扰乱敌后，以有力部队从第79旅第158团第2营的正面出击，攻至旧关通苇泽关的大道为止，并加以固守；第12师向旧关以南及西南攻击；第27师竭力牵制当面日军，并注意切实截断核桃园敌之归路。孙连仲令原在东、西葛丹的第88旅移驻娘子关附近，以备增援第31师。
19日2时，各部队开始攻击。第31师一部冲入旧关，经激烈肉搏和巷战后，日军退据旧关以东高地顽抗。拂晓后，日军援兵到达，向旧关反击，第31师突入旧关的部队被迫撤回原阵地。8时，第35旅一部协同第31师攻占旧关东、西两侧高地，另一部向旧关以东进攻。战斗至14时，日军轰炸机10余架对反击部队反复轰炸，迫使各部队暂停攻击。18时，反击部队乘夜幕即临、日机飞走之际，再兴攻势。第34旅及第19旅第37团将核桃园附近地区攻占，并以火力将通往旧关之路封锁。第30旅迅速占领了核桃园，并以第159团郑云奇营向旧关挺进，企图乘势肃清旧关日军。此时，因他方面友军动作未能协同，孙连仲命第80旅部队撤回地都原阵地。
第17师当面的日军自13日夜攻占雪花山后即转移兵力抵抗守军对旧关一带的反击，仅有一部在雪花山一带与第17师乏驴岭守军对峙。日增援部队到达后，于19日4时向第17师阵地发动全面进攻。天明后，日军在轰炸机的援助下，攻击更加猛烈。激战到13时，乏驴岭守军官兵伤亡很大，南阵地被日军攻占。第49旅耿介志旅长率余部50多人退到北阵地，与该阵地守军协力战斗。15时，荆蒲关阵地守军伤亡过重，只剩30余人，苦战到黄昏后，即向葛丹、常坪撤退。荆蒲关失守后，致使乏驴岭北阵地三面受敌。耿介志旅长在守军伤亡殆尽、弹药不继、援兵未至的情况下，不得已率余部100余人退到北峪、庄头附近，稍息后赴神灵台附近收容。
正当守军在旧关及乏驴岭一带与日军酣战之际，黄绍？将部署作了调整：令第26路军（第1军团）、第3军、新编第10团归由孙连仲指挥，负责肃清旧关、核桃园、大小龙窝、长生口之敌及侧鱼镇一带之警戒任务；令第17师、第38军教导团及第27路军（14军团）归由冯钦哉指挥，担负防守第17师现阵地与其以北亘曹泉、胡寺、观音陀山之线，并注意洪子店方面的警戒；第30师交替完毕后，应集结于东、西葛丹附近，归还建制。
第四部分：华北作战正太路沿线作战 5
守军与敌连日交战，虽毙敌甚众，但日军援兵不断增加。守军伤亡减员5000余名。平汉铁路元氏方面日军大部虽已北撤，但其一部仍集结于百家庄附近，显有从正太路西进的企图。守军兵力已全数使用，无另外的控制部队，黄绍？遂令第44旅即由阳泉向娘子关输送，到达娘子关以西的城西村附近集结待命。
19日14时，孙连仲接到黄绍？的上述命令时乏驴岭已经失守，第17师已西撤。由于娘子关一带铁路线极为重要，孙连仲乃令第30师的第88旅连夜转向南峪、北峪一带阻敌西进。
冯钦哉接黄绍？的命令后，即令第42师接替第30师阵地，令第169师留1个营的兵力于南冶里对东北警戒。其司令部由磨河滩进驻沙井村。
（四） 娘子关失陷
10月中旬以来，日军第20师团除第39旅团以逐次增兵方法进攻娘子关外，主力集结在石家庄南休整。10月19日，日军第1军遵照方面军的指示，命令川岸师团长以全师团兵力攻击娘子关，攻占阳泉、平原。
日本“华北方面军”在这时向第20师团下达攻占阳泉的命令，这是由整个战局的发展所决定的。
日军自展开所谓“10月攻势”以来，在华中地区的作战并不顺利。在淞沪这一有限的地域内它已投入了5个师团的兵力和原驻上海的海军陆战队，可是依然进展不大。如不再增加援军，很难取得胜利，而新组建的兵力有限。所以决定再从国内和华北抽调兵力增援华中地区作战。日军大本营指示华北方面军迅速完成津浦、平汉路的预期作战任务，并夺取太原，准备调整部分兵力支援华中作战。在华北方面，日军在平汉、津浦线方面的作战是比较顺利的，但在晋北的忻口地区则陷入了苦战。因此，方面军命令第1军和第2军迅速进入德州和安阳一线，并于10月19日命令第20师团攻占娘子关，进入阳泉；待第1军主力完成平汉线方面的作战任务后，再抽调兵力投入正太线，以便配合晋北日军会攻太原。
10月20日，川岸师团长下达作战命令：师团决定分两个纵队向阳泉发动进攻，右纵队为步兵第39旅团，指挥野炮兵联队（欠第1大队）、山炮兵联队第1大队、加农炮兵大队（欠第1中队）、迫击炮兵2个中队，继续由娘子关正面攻击守军；左纵队为步兵第40旅团，指挥野炮兵第1大队、迫击炮1个中队，沿微水镇、侧鱼镇、石门口大道前进，进入右纵队正面的敌人背后，其余部队集结于井陉附近。师团部位于井陉。整个师团的行动从21日开始。
10月21日，日军第20师团除原在攻击位置的第39旅团重新调整部署准备再次发动攻击外，师团主力从石家庄地区向西推进。川岸率师团直属队进到井陉指挥作战。
日军第39旅团一部于前1日（20日）在飞机掩护下，向北峪、核桃园、大小龙窝及地都一带阵地进攻。经反复争夺，守军第30师及第27师伤亡惨重，阵地多被突破，仅固守阵地内的高地。
10月21日，日军第20师团右纵队对娘子关守军正面继续发动攻击。占领北峪东北高地的日军继续向第30师第88旅阵地进攻，经战斗后，该旅退至张家洼、溃泉、驴桥岭之线。第30师师长张金照即令工兵营及第89旅派1个营协同第88旅守备。其他各部均有战斗，但双方均无进展。为挽回战局、歼灭入侵日军，孙连仲于15时下达向当面日军袭击的命令：第3军袭击旧关东南高地之敌并占领之；第31师袭击旧关及其西方高地之敌并占领之；第27师除袭1000高地附近之敌外，须与大、小龙窝友军切取联络，并占领核桃园；第30师袭击北峪、东西葛丹之敌，并占领之。
21日夜，各部队遵令行动。战斗终夜，无大进展。第27师因正面日军大量增加，没有发动攻击。
22日晨，日军陆、空军协同向第27师1000高地及第30师溃泉阵地展开猛烈进攻。第30师于21日出袭的第178团于22日8时被日军包围于北峪。该团苦战突围，绕左翼退回。同时，日军又将第30师溃泉阵地突破。该师力阻，加上第169师第505旅于常坪附近侧击，到12时，将该日军逐回北峪附近。
第27师第79旅及新编第10团已伤亡营以下官兵600余名，该旅旅长黄樵松遂令各团余部撤守地都附近阵地。日军继向第3军及第31师正面猛攻，被守军力战拒止。
因日军连日进攻，守军奋力御敌，伤亡惨重，并侦悉日军又增兵400余人（附炮12门），由东、西葛丹向守军左翼运动，有威胁守军侧背企图。同日15时30分，黄绍？令第26路军即日缩短战线，占领绵山顶至苇泽关一带阵地，阻敌西进。孙连仲总司令接到黄副长官的电话命令后，于20时开始向神仙洞、绵山顶、苇泽关1853高地、宋家岩底之线变换阵地，并于22时致电阎锡山，告知第2集团军自房山、琉璃河起，累经激战，从未休息整补；西移娘子关后连战10余日，伤亡甚重，所存兵力不满6000名，阵地绵亘50余市里，兵力至感单薄，如任何一点被敌突破，即无法应付，请速调生力军增援。时正值从四川调来的第22集团军邓锡侯部刚到太原，阎锡山遂令该部第41军军长孙震率该军由正太路输送至阳泉，归黄绍？指挥。
第四部分：华北作战正太路沿线作战 6
日军在右纵队继续攻击娘子关正面守军阵地的同时，其左纵队于21日由横口车站南下，22日晚大部到达南、北障城，一部进抵侧鱼镇。增援娘子关的第18集团军第129师刘伯承部，此时已由阳泉向垣村、马山村地区前进中。该师第386旅陈赓部的第778团袭击了日军第40旅团的侧翼部队，使其行动迟缓；23日晨，又在石门口阻击，歼灭日军200余人。长生口、旧关间的日军在空军的支援下向红土岭迄甘桃驿以东第3军曾万钟部阵地攻击。守军英勇抵抗。入夜后，第3军向大、小龙窝及核桃园南端高地一带的日军发动全线出击，给日军以杀伤。第3军经一昼夜战斗，伤团长1员，士兵伤亡约600名。
24日晨，日军在飞机支援下，向守军正面及右翼阵地发动全线攻击。右翼第3军红土岭及其以西阵地上战斗激烈。该军第7师第19旅阵地曾一度动摇，经独立团增援奋战，遏止了日军的攻势。又由于第129师第386旅在马山村、罗鼓寨对日军进行了袭击和伏击，歼敌100余人，日军的进攻势头更被减弱。此时，转隶孙连仲指挥的第41军第122师的第364旅已到达阳泉，奉命增加到右翼，在七家峪、马山村一带占领阵地；第122师的第366旅亦将于次日7时前到达东回镇，增强右翼的防御。日军对正面第26路军的阵地多次进攻，均被击退。
由于右翼阵地增加了第122师，侧翼又有第129师，因此正面第26路军多次击退日军的进攻。左翼第27路军方面，自20日以来除第7军第42师神仙洞附近的阵地常遭日军炮击外，并未发生战斗，所以黄绍？认为娘子关防线已趋于稳定，乃于25日电令第27路军开赴忻口作战，遗防由第26路军派一部兵力警戒。
正当右翼部队调整换防、左翼防守兵力减少之际，日军于25日发动猛攻。第364旅向马山村前进途中，在观山村遭到日军袭击。该旅被迫退至槐树岭迄胡家峪之线防守。第3军阵地被日军突破，一部日军侵入至第3军军部所在地固驿镇附近，经独立团拼死抵抗，暂时遏止住日军的攻势。黄绍？令第122师1个团和第3军一部夹击突入的日军，但未能奏效，第3军右翼的第7师阵地反而被日军突破，该师被迫转移至1314高地迄梁家垴之线。
26日，日军继续向守军阵地猛攻。第129师第386旅旅长陈赓率其第772团在日军后方的七豆村设伏，击毙日军补给部队300余人，缴获骡马300余匹及大量军用物资，但未能阻止日军的进攻势头。当日拂晓时，日军第40旅团已进至娘子关、新关侧后的柏木井附近，严重威胁娘子关