平型关伏击战和奇袭阳明堡
为增强忻口正面的防御，阎锡山在16日电令第十九军迅速开赴金山铺，由卫立煌直接指挥。卫立煌调整部署后，随即制定了新的作战方案。他命令部队利用高地、村落构成交叉火力网，相互掩护，从侧面袭击敌军；利用夜间多派小股部队对敌进行袭扰。
10月17日至19日，日军对南怀化东北高地和官庄高地发动了5次以上的猛攻，均被击退。由于守军抵抗顽强，日军的全力进攻没有取得任何效果，相反却损失惨重，伤亡3000多人。截至19日，已经没有较大的、成编制的日军部队发动新的进攻，只有一些零星小规模的攻击，甚至是偷袭。这时，日军“华北方面军”开始为第五师团增加兵力。由“中国驻屯步兵旅团”第二联队为主力，配以坦克、装甲汽车、工兵爆破队和骑兵分队组成的萱岛支队被加入第五师团战斗序列，并于10月22日到达原平。
10月24日，日军第五师团长将萱岛支队投入战场，向忻口守军发起疯狂攻击。日军此次攻击的重点是官庄、南峪和朦腾之间的阵地。但在守军的英勇阻击下，日军攻击被击退。26日，日军在飞机坦克的配合下，攻破第八十三师固守的朦腾村阵地。
由于上海方面战事吃紧，日军的“华北方面军”第六、第十六师团和第五师团一部组成的国崎登支队被派往上海地区，日军在忻口地区的兵力已经捉襟见肘。在这种情况下，在平津地区担任守备任务的日军第一O九步兵师团第一三六联队的两个大队及独立混成第一旅团的机械化步兵联队被派到忻口增援第五师团作战。
在忻口正面守军与敌血战的同时，八路军各部队根据第二战区会战计划和八路军总部的命令，在山西省东北和西北地区进行大范围的游击作战，袭扰和威胁日军侧翼以及破坏日军后方交通线。其中的平型关伏击战和奇袭阳明堡堪称抗日游击战的经典！
1937年9月24日，由林彪、聂荣臻指挥的一一五师赶到了平型关。第二天清晨，日军第五师团第二十一旅团一部和大批辎重车辆，沿着平型关公路向西开进。7点左右，敌人全部进入第一一五师设伏地域。这时，一一五师突然发起攻击，6个小时后，被围日军全部被歼。平型关作战虽然在忻口战役之前，但其胜利却在相当程度上对忻口战役产生了积极的影响。
忻口战役期间，日军飞机对我军阵地的威胁极大。为配合国民党军作战，八路军第一二九师第三八五旅第七六九团奉命进至代县、崞县以东地区，执行侧击南犯日军后方的任务。该团进至滹沱河南岸苏龙口、刘家庄地区后，发现日军飞机不断由滹沱河北岸的阳明堡前线机场起飞，轰炸忻口我军阵地。经过缜密侦察，该团团长陈锡联决定以三营为突击队，夜间袭击阳明堡机场，摧毁日军飞机。19日夜，突击队从东西两侧隐蔽进入机场，当进到距飞机约30米时，被日军哨兵发觉。突击队当即发起攻击，一部阻击日军警卫分队的反扑，一部迅速扑向停机坪，用机枪、手榴弹对飞机猛烈攻击，由于日机大多为木质结构，防护较差，顷刻间就有六、七架飞机爆炸燃烧。大火又引燃其他停放的飞机，造成连锁反应。经1小时激战，第七六九团以伤亡30余人的代价，歼灭日军100余人，停机坪上的24架飞机全部被烧毁，取得了阳明堡机场夜袭战的完全胜利，极大地支援了国民党守军的忻口防御作战。
与此同时，八路军第一二O师各部队在山西东北部破坏了许多公路、铁路和桥梁。在相当大的程度上迟滞了日军对忻口地区的兵力增援和补给。八路军还在怀仁南部的辛庄、雁门关南面的石头沟、阳明堡南面的王董堡等地对日军的运输队进行了4次袭击，消灭日军1000多人，击毁汽车100多辆，切断了由绥南经大同至忻口地区的日军后方补给线。
