忻口正面的日军不断增兵，在中央兵团正面集中了3至4万的兵力。阎锡山于15日电令第十八集团军总司令朱德指挥五台山区的部队截断敌后交通，阻敌增援兵力。
10月16日凌晨2时，我军在忻口正面的5个旅开始反攻，广大官兵英勇战斗。由于阵地狭窄、地形复杂，双方基本上处于混战当中，伤亡都十分惨重。在前沿指挥的第九军军长郝梦龄和第五十四师师长刘家麒先后中弹牺牲。截至拂晓时，双方都伤亡了数千人，第五旅旅长邓廷珍也中弹牺牲。由于日军装备占优势，又极死硬，中国军队除了将南怀化以南的日军基本肃清外，收复南怀化阵地的这个主要意图未能实现。卫立煌随即指派第十四集团军参谋长郭寄峤任第九军军长，第一六一旅旅长孔繁瀛任第五十四师师长，并指定第六十一军军长陈长捷统一指挥中央兵团继续作战。
卫立煌深深感到，由于日军的增援，此次战役己方兵力并不占优势，形势十分严峻。随后，他致电国民政府军事委员会，以求获得补充。蒋介石立刻电令第二十二集团军孙震部启程援助。阎锡山也电告第九十四师的朱怀冰部和第一七七师的第五二九旅由五台山、龙泉关一带星夜赶赴忻县兰台镇、二十里铺，归卫立煌指挥。
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。
