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。
