華北日軍在平漢、津浦線方麵作戰比較順利，但在晉北地區則陷入苦戰。日本大本營指示華北方麵軍迅速完成平漢、津浦線作戰任務，並奪取太原。因此方麵軍命令第1軍和第2軍迅速進入德州和安陽一線，並於10月19日命令第20師團攻占娘子關，進入陽泉，為爾後進攻太原作準備。
10月20日，第20師團師團長川岸文三郎下達命令：師團決定分兩個縱隊向陽泉發動進攻。第39旅團為右縱隊，繼續由娘子關正麵攻擊守軍；第40旅團為左縱隊，從右縱隊正麵之敵背後，進入井陘附近集結。師團部設於井陘。全師團於21日行動。
21日，第20師團右縱隊對娘子關守軍正麵繼續發動攻擊。為挽迴戰局、殲滅入侵日軍，孫連仲於15時下令向當麵日軍襲擊：第3軍襲擊舊關東南高地之敵並占領之；第31師襲擊舊關及西麵高地之敵並占領之；第27師除襲擊1000高地附近之敵外，須與大、小龍窩友軍取得聯絡，並占領核桃園；第30師襲擊北峪、東西葛丹之敵並占領之。戰鬥竟夜無大進展。
22日晨，日軍陸空軍協同向第27師陣地及第30師陣地猛攻。第30師出擊的第178團被日軍包圍。第30師力戰後將日軍擊潰，178團撤迴原陣地。第27師第79旅及新編第10團傷亡六百餘人，該旅旅長黃樵鬆遂令各團餘部撤守地都附近陣地。
當日15時，黃紹竑令第26路軍即日縮短戰線，占領綿山頂及葦澤關一帶陣地，阻敵西進。孫連仲奉令於20時開始向神仙洞、綿山頂、葦澤關、宋家岩之線變換陣地，並於22時致電閻錫山告之：第2集團軍自房山、琉璃河起，累經激戰，從未休補；西移娘子關後連戰十餘日，傷亡甚重，所餘兵力不足六千人，陣地綿延50餘裏，兵力甚感單薄，若任何一點被敵突破，即無法應付，請速調生力軍增援。
這時，川軍第22集團軍鄧錫侯部剛到太原，閻錫山即令該部第41軍軍長孫震率部，由正太路輸送至陽泉，歸黃紹竑指揮。
日軍右縱隊繼續攻擊娘子關正麵守軍陣地時，其左縱隊於21日由橫口車站南下，22日晚大部到達南北障城，一部進抵側魚鎮。增援娘子關的第18集團軍第129師劉伯承部，此時已由陽泉向垣村、馬山村地區前進中。該師第386旅陳賡部之第778團襲擊了日軍第40旅團側翼部隊，使其行動遲緩；23日晨，又在石門口阻擊，殲滅日軍三百餘人。
長生口、舊關間的日軍在飛機支援下，向紅土嶺迄甘桃驛以東第3軍曾萬鍾部陣地攻擊。守軍英勇抵抗。入夜後，第3軍向大小龍窩及核桃園日軍發動全線攻擊，激戰竟夜，給敵以很大殺傷。第3軍傷亡團長一人，士兵六百餘人。
24日晨，日軍在飛機支援下向守軍正麵及右翼陣地發動全線攻擊。右翼第3軍紅土嶺及以西陣地戰鬥激烈。第129師第386旅在馬山村、鑼鼓寨襲擊日軍，以配合第3軍作戰。
此時，轉隸孫連仲指揮的第41軍第122師之第364旅及366旅已達陽泉，奉命在七家峪、馬山村、東迴鎮一帶占領陣地，加入右翼作戰。日軍多次進攻均被第26路軍擊退。左翼第27路軍方麵，自20日以來，除第7軍第42師陣地遭敵炮擊外，並未發生戰鬥。
黃紹竑認為，娘子關防線已趨於穩定，即於25日電令第27路軍開赴忻口作戰，遺防由第26路軍派一部兵力警械。正當右翼部隊調整換防、左翼部隊減少之際，日軍於25日發動猛攻。左翼部隊第3軍第7師陣地被日軍突破，該師被迫轉移至1314高地迄梁家堖之線。
26日，日軍繼續向守軍陣地猛攻。第129師第386旅旅長陳賡率其第772團在日軍後方七亙村設伏，擊斃敵補給部隊三百餘人，繳獲騾馬三百餘匹及大量軍用物資，但未能阻止日軍攻勢。日軍第40旅團已進至娘子關、新關側後的柏木井附近，嚴重威脅娘子關。
黃紹竑在得到閻錫山同意後，下令守軍主力後撤至巨城鎮、移穰鎮一線，並令轉赴忻口增援的第14軍留置三個團於巨城鎮至東南上、下盤石間，以阻止由娘子關西進日軍；娘子關僅由第26路軍所留少數兵力防守。日軍乘勢進攻，當日占領了娘子關。
10月20日，第20師團師團長川岸文三郎下達命令：師團決定分兩個縱隊向陽泉發動進攻。第39旅團為右縱隊，繼續由娘子關正麵攻擊守軍；第40旅團為左縱隊，從右縱隊正麵之敵背後，進入井陘附近集結。師團部設於井陘。全師團於21日行動。
21日，第20師團右縱隊對娘子關守軍正麵繼續發動攻擊。為挽迴戰局、殲滅入侵日軍，孫連仲於15時下令向當麵日軍襲擊：第3軍襲擊舊關東南高地之敵並占領之；第31師襲擊舊關及西麵高地之敵並占領之；第27師除襲擊1000高地附近之敵外，須與大、小龍窩友軍取得聯絡，並占領核桃園；第30師襲擊北峪、東西葛丹之敵並占領之。戰鬥竟夜無大進展。
22日晨，日軍陸空軍協同向第27師陣地及第30師陣地猛攻。第30師出擊的第178團被日軍包圍。第30師力戰後將日軍擊潰，178團撤迴原陣地。第27師第79旅及新編第10團傷亡六百餘人，該旅旅長黃樵鬆遂令各團餘部撤守地都附近陣地。
當日15時，黃紹竑令第26路軍即日縮短戰線，占領綿山頂及葦澤關一帶陣地，阻敵西進。孫連仲奉令於20時開始向神仙洞、綿山頂、葦澤關、宋家岩之線變換陣地，並於22時致電閻錫山告之：第2集團軍自房山、琉璃河起，累經激戰，從未休補；西移娘子關後連戰十餘日，傷亡甚重，所餘兵力不足六千人，陣地綿延50餘裏，兵力甚感單薄，若任何一點被敵突破，即無法應付，請速調生力軍增援。
這時，川軍第22集團軍鄧錫侯部剛到太原，閻錫山即令該部第41軍軍長孫震率部，由正太路輸送至陽泉，歸黃紹竑指揮。
日軍右縱隊繼續攻擊娘子關正麵守軍陣地時，其左縱隊於21日由橫口車站南下，22日晚大部到達南北障城，一部進抵側魚鎮。增援娘子關的第18集團軍第129師劉伯承部，此時已由陽泉向垣村、馬山村地區前進中。該師第386旅陳賡部之第778團襲擊了日軍第40旅團側翼部隊，使其行動遲緩；23日晨，又在石門口阻擊，殲滅日軍三百餘人。
長生口、舊關間的日軍在飛機支援下，向紅土嶺迄甘桃驛以東第3軍曾萬鍾部陣地攻擊。守軍英勇抵抗。入夜後，第3軍向大小龍窩及核桃園日軍發動全線攻擊，激戰竟夜，給敵以很大殺傷。第3軍傷亡團長一人，士兵六百餘人。
24日晨，日軍在飛機支援下向守軍正麵及右翼陣地發動全線攻擊。右翼第3軍紅土嶺及以西陣地戰鬥激烈。第129師第386旅在馬山村、鑼鼓寨襲擊日軍，以配合第3軍作戰。
此時，轉隸孫連仲指揮的第41軍第122師之第364旅及366旅已達陽泉，奉命在七家峪、馬山村、東迴鎮一帶占領陣地，加入右翼作戰。日軍多次進攻均被第26路軍擊退。左翼第27路軍方麵，自20日以來，除第7軍第42師陣地遭敵炮擊外，並未發生戰鬥。
黃紹竑認為，娘子關防線已趨於穩定，即於25日電令第27路軍開赴忻口作戰，遺防由第26路軍派一部兵力警械。正當右翼部隊調整換防、左翼部隊減少之際，日軍於25日發動猛攻。左翼部隊第3軍第7師陣地被日軍突破，該師被迫轉移至1314高地迄梁家堖之線。
26日，日軍繼續向守軍陣地猛攻。第129師第386旅旅長陳賡率其第772團在日軍後方七亙村設伏，擊斃敵補給部隊三百餘人，繳獲騾馬三百餘匹及大量軍用物資，但未能阻止日軍攻勢。日軍第40旅團已進至娘子關、新關側後的柏木井附近，嚴重威脅娘子關。
黃紹竑在得到閻錫山同意後，下令守軍主力後撤至巨城鎮、移穰鎮一線，並令轉赴忻口增援的第14軍留置三個團於巨城鎮至東南上、下盤石間，以阻止由娘子關西進日軍；娘子關僅由第26路軍所留少數兵力防守。日軍乘勢進攻，當日占領了娘子關。