10
月
16
日，中國軍隊再次對舊關日軍發動大規模反攻。同日，井陘增援的日軍也已抵達核桃園一線，並在飛機掩護下向第
3
軍
34
旅猛攻。34
旅不敵日軍，被擊破陣地，全旅退守舊關東南高地。守在舊關東南高地的
12
師與日軍正在對峙，情勢危急之下，第
38
軍教導團抵達戰場，迅速投入戰鬥。
戰至
18
日，舊關仍未奪回，中日兩軍均傷亡慘重，尤其是第
38
軍教導團，佔領舊關以西高地後遭到日軍多次反撲，全團傷亡大半。
18
日拂曉，日軍援兵分彆向池峰城
31
師防守的黃石嘴、27
師防守的關溝以及
1000
高地猛攻。戰至夜晚時分，孫連仲命令
31
師夜襲舊關，激戰一夜，終因拂曉時日軍援兵趕到再次铩羽而歸。
中國軍隊在舊關與日軍血戰多日，雖然將舊關日軍殲滅大半，但始終未能奪回舊關，且參戰各部均傷亡慘重。與此同時，娘子關正麵的
17
師再次被日軍擊退，乏驢嶺失守，17
師被迫撤到北峪附近。
戰至此時，娘子關戰役雖然已經打響數日，但是第
20
師團主力依舊在石家莊休整，進攻娘子關的隻有
39
旅團。39
旅團以逐次增兵的辦法始終未能突破娘子關防線，這讓華北方麵軍司令部產生不滿。由於忻口日軍陷入困境，於是第
1
軍遵照司令部指示命令第
20
師團以全部兵力儘快突破娘子關，佔領陽泉。
10
月
20
日，日軍第
20
師團主力大舉西進，一路沿著井陘-新關-石門口進攻，一路負責迂迴，沿微水鎮-側魚鎮-石門口進攻。
同一天，日軍
39
旅團一部在飛機掩護下向北峪、大小龍窩、地都一帶陣地猛攻。負責防守的
30
師、27
師雖然抵抗英勇，但因為雙方裝備差距太大，兩個師傷亡慘重，多處陣地被突破。戰至
22
日，兩個師被徹底擊退，日軍攻占陣地。
此時，中國軍隊在日軍連日來的猛攻之下損失慘重，節節敗退。日軍已經逐步逼近娘子關隘口，對娘子關形成了包圍態勢。黃紹竑根據戰場局勢，命令
26
路軍縮短戰線，在綿山至葦澤關一帶重新佈防，阻擊日軍。
23
日到
24
日，長生口、舊關日軍在飛機掩護下向第
3
軍各部發起進攻。第
3
軍麵對日軍的凶猛攻勢，陣地不斷失守，全軍傷亡慘重。
在娘子關正麵激戰的同時，日軍負責迂迴的
79
聯隊主力已到達南、北障城，其先頭部隊更是進入側魚鎮東北方高地。
黃紹竑根據此種情況，緊急命令八路軍
129
師進駐七亙村、馬山村一帶。同時孫連仲也在
22
日向閻錫山請求援兵，閻錫山遂令剛抵達太原的川軍第
22
集團軍第
41
軍增援。
23
日，日軍
79
聯隊先頭部隊與八路軍
129
師
386
旅以及第
7
師一個旅發生戰鬥。八路軍
129
師兩次七亙村伏擊，予以日軍重創。川軍
41
軍
122
師王銘章部
364
旅受命在七家峪、馬山村一帶阻擊日軍，但由於人生地不熟，立足未穩便遭到日軍攻擊，損失慘重。隨後日軍乘勝追擊，向第
3
軍所在的固驛鎮進攻，遭到第
3
軍頑強抵抗。
10
月
26
日，黃紹竑在得到閻錫山同意後，將
26
路軍主力轉移去阻擊馬山村西進日軍，娘子關由馮欽哉部三個團防守。黃紹竑的這一舉動導致娘子關兵力急劇減少，麵對日軍進攻抵抗的非常吃力。日軍在發現娘子關兵力大減後，加強了攻勢，很快就擊破守軍，佔領了娘子關。
娘子關失守後，晉東門戶大開，太原東麵屏障儘失。
日軍佔領娘子關後，第
1
軍為擴大戰果，攻取太原，命令第
20
師團繼續西進，進攻陽泉。第
20
師團兵分兩路，一左一右追擊敗退的中國軍隊。
麵對此種情形，黃紹竑將中國軍隊重新組織佈防，阻擊日軍。右翼由
41
軍
122
師和
124
師守備，124
師
372
旅防守石門口一帶，122
師佔領趙家莊、冶西一帶。正麵
26
路軍第
30
師佔領
1121
高地至
1018
高地一線，27
路軍第
42
軍佔領白道堰至龍莊西方高地。左翼方麵，27
路軍
169
師佔領桐花村、山頭村、臥虎村一帶，另由
17
師佔領馬鞍山、南畔一線。與此同時，閻錫山因為沒有兵力增援東線，便電令五台山區八路軍
115
師以及
120
師開赴陽泉。
10
月
27
日，日軍左路縱隊擊退川軍
122
師
372
旅，緊接著又擊退
124
師，並抽出一部兵力在飛機支援下佔領
30
師防守的
1121
高地。右路縱隊則是擊退趙壽山
17
師，佔領了巨城鎮。正麵進攻的日軍接連擊退
27
路軍，迫使其退守甲魚溝、蔡家峪、張家溝一線。
麵對中國軍隊不斷敗退，東線戰局的日益惡化，遠在南京的蔣委員長當即嚴令前線各部不得退過壽陽以西。
10
月
29
日，日軍向平定地區發起進攻，在白家享守備的
31
師兩個連全部犧牲，31
師被擊退，平定地區失守。隨後日軍乘勝追擊，一舉攻陷了陽泉。31
日，日軍又大舉進攻川軍防守的辛興鎮，川軍不敵，陣地再次被突破。
南京見晉東形勢危急，急調第一戰區湯恩伯率
13
軍參加晉東作戰，攻擊日軍側背。湯恩伯接到命令後立即率軍出發，經涉縣、昔陽、平定前進，對日軍發動進攻。
11
月
1
日，孫連仲
26
路軍佔領正太路一線高地繼續阻擊日軍，同時命令
30
師佔領壽陽東部高地。川軍
41
軍
122
師、124
師則是退到龍泉鎮構築防線。
11
月
2
日，日軍大舉進攻壽陽。壽陽以東高地的
30
師遭到日軍夾擊，壽陽正麵以及馬首村陣地也遭到日軍進攻。激戰多時，30
師、31
師以及第
3
軍一部均被日軍擊退，壽陽城淪陷。
至此，娘子關戰役結束，東線戰局徹底崩潰，太原陷入危機之中。