而日军方面，关东军察哈尔派遣兵团4个半旅团统一划归日军精锐第5师团长板垣征四郎指挥。
日军共3个师团，7万余人；火炮250门（近半数为大口径重炮）。
资料显示：日军有战车150辆，飞机两百余架。
绝对的火炮、机械化部队及空中优势，左右了整个会战。
1937年10月13日，日军主力发起全线进攻。
其一部对国军忻口防线实行中央突破，国民党中央军第54师驻防南怀化阵地遭到猛攻。
激战9小时后，该师阵地被彻底击毁，部队伤亡惨重，阵地被突破。
卫立煌急调国民党中央军第10，第21，第72师各一部迅速发起反攻，血战一昼夜，终于夺回南怀化阵地；并包围歼灭日军进攻部队。
10月14日，日军增兵三千余人，再次猛攻南怀化，并同时向国军防线左右两翼作牵制性攻击。
当天，南怀化阵地又告失陷。第21师长李仙洲，第35军第218旅长董其武等相继受伤。
双方在南怀化东北高地，展开拉锯战。
第二战区前敌总指挥卫立煌决定于入夜后对忻口正面之敌发起反击，以期将渡过云中河之日军肃清。
10月15日，第35军第218旅进驻下王庄，弓家庄一线，与第161旅协同向南怀化敌侧背发起反击其中位于云中桥的第218旅渡河偷袭日军位于旧河北村的阵地。
正当第218旅作渡河准备时，日军先行渡河攻击第54师161旅下王庄阵地。
第218旅为保下王庄不失，主动增援友军，并三次挫败了日军的进攻。
在击退日军的第三次进攻之后，第218旅于16日凌晨3时渡过河北，以奇袭的方式相继攻克旧河北村外围的弓家庄、东泥河两处日军阵地。
同时中央地区国军部队也发起总攻。
刚开始进攻顺利，接连攻克多个据点。
但10月16日（第二天），日军迅速发起反攻；并全力突破第9军阵地。
在激战中，中央兵团总司令兼第9军长郝梦龄中将，第54师长刘家麒中将，dú • lì 第5旅长郑廷珍少将相继壮烈殉国，反攻一度中断。
中央兵团战况渐趋胶着。
左翼兵团方面，10月12日，日军由永兴村南下攻占阎庄。
13日，在飞机大炮，战车掩护下；日军向国民党中央军第14军大白水主阵地攻进。
其第10师陈牧农旅英勇抵抗，很快伤亡过半；敌突入大白水村内，国军官兵立即组织反攻，将入村内之敌全歼。
日军调整攻击方向，以卫村为前进阵地，主攻朦腾和南峪阵地。
国军第34军第71师据守两村高地，隔河与敌对峙；日军在河沟两岸死伤累累。
日军为报复，集中重炮猛轰第71师阵地；第71师伤亡甚重。
为摧毁日军前进阵地，第14军李默庵部组织数百人突击队，两次夜袭卫村，但均遭失败，突击队数百壮士全部壮烈殉国。
左翼兵团遂陷入僵持，但日军未再前进一步。
右翼兵团方面，日军于10月13日从桃园村进犯，向国军第15军灵山阵地猛攻，马祺臻第195旅在东、西荣华村与敌拼杀，付出重大伤亡代价，阵地还是失守。
日军旋即向东、西南贾村进犯，遭到邢清忠第191旅拼死阻击。
战至10月14日，日军主力转攻南郭下，国军第192旅顽强抵抗，将敌阻滞于南郭下和东、西南贾一线。
第84师则固守蔡家岗亘灵山，界河铺，侧击南郭下村方面数千日寇。
为稳定战局，卫立煌命左翼兵团第94师接防营房里至龙王堂一线，以打击日军侧翼。
总预备队第17军第251旅也驻防蔡家岗。
第15军集中主力向南郭下一线日军发起进攻。双方展开激烈的争夺战，第15军多次粉碎日军进攻。
中央兵团方面，卫立煌命令第61军长陈长捷接任兵团司令；并不断增兵，以图打破日军主力对中央阵地的总攻。
10月20日，第38军第529旅到达战场。21日，卫立煌又从左翼兵团调陈铁第85师增援。
日军对中央兵团的猛攻，再度受挫。
为尽快结束忻口战事，板垣征四郎向华北方面军司令部求援。
10月22日，萱岛支队到达忻口；日军于24日再次发起总攻。
双方激战数日后，国军第85军伤亡殆尽。日军打出国军防线数个缺口。
27日，双方又陷入胶着。
当天，日军又派遣第109师团第136联队一个大队参战。
10月29日，又将该联队一个大队及dú • lì 混成第1旅团一个联队调给第5师团。
另外日军精锐第11师团第71联队，也赶到战场。
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