阎锡山将大部分兵力投在晋北地区，晋东地区守军可谓兵少将寡，当时可供调遣的只有陕军冯钦哉部3个师和中央军曾万钟第3军管辖的2个师。这些部队全部被派遣在北至龙泉关南到九龙关、马岭关150里宽的第一线，后面亦没有预备队，这样的布置倘若日军捅破一个地方，全线都会崩溃。直到10月12日，阎锡山才以晋东情形紧张，调孙连仲率所属第26路军入晋增援。

日军沿正太线策应的第20师团，下辖2个步兵旅团，其中每个旅团下辖2个步兵联队，而联队主力是3个步兵大队，每队大概有千人。另外，20师团还直辖骑兵联队、炮兵联队、工兵联队、辎重兵联队及通信队、卫生兵，野战医院等。在20师团1937年7月份的一份报告中，记载当时师团总兵力有9804人，经过了石家庄战役后，兵力有所损耗，但就此估计10月份进入正太线前，兵力大概有万余左右，而且在随后展开的娘子关战役中，师团主力不断获得支援。

国民政府军事委员会令第一战区部队一部转入晋东娘子关地区组织防御，正面为第38军第17、第30军第30师，左翼为第14军团，右翼为第3军，由第二战区副司令长官黄绍竑负责指挥。此后参与战斗的有：孙连仲率第26路军、八路军第129师、第115师等部队，约50个团，10万兵力。

1937年日本侵华战争全面爆发，日军准备“一个月拿下山西”，最终“定华北，亡中国”。日军从张家口西进大同，沿同蒲路南下太原，在忻口附近遭遇中国军队顽强阻击，不能前进。为策应日军南下，日方派精锐部队华北方面第一军之第20师团、第二军之第108师团、方面军直辖第109师团第31旅团，组成西进兵团，由川岸文三郎统一指挥，沿正太路西犯，直逼娘子关。

1937年10月10日，日军20师团川岸师团渡滹沱河，12日攻占石家庄切断平汉线，将师团主力部置于石家庄附近。师团在进攻石家庄时，接收到策应第5师团命令，派有力一部右侧支队（39旅团高木旅团）沿正太线道路向太原方向追击。右侧支队渡滹沱河后南下急追，随后分左、右追击队向娘子关出发。其左追击队鲤登大佐指挥77联队主力在井陉地区进出，并向井陉—旧关方向追击；右追击队由羽鸟中佐指挥77联队一部沿正太线向太原方向追击。

1937年10月11日，日军20师团77联队沿正太线直奔娘子关的正面井陉，并向井陉西南的雪花山地区进攻，雪花山保卫战由此拉开序幕。雪花山当时守军主力是27路军赵寿山第17师。雪花山与娘子关成“掎角之势”，赵寿山守备雪花山，构成两线阵地，雪花山守住娘子关便守住了。为守卫娘子关正面井陉雪花山一线阵地，赵寿山下令其直辖的49旅守在井陉右翼郝家坡单家朱家山川迄施水村一线，51旅防御井陉左翼施水村荆蒲兰曹泉一线，补充团守备井陉一线，并有部队控制在乏驴领成为预备队。

10月11日黄昏，日军二千人左右向守军全线进攻。

10月12日拂晓，日军空军支援，开始向雪花山、井陉阵地进攻。只要控制制高点，山下敌人很难通过。然而，雪花山四面又全是缓坡，如若敌人仰攻，登山难度并不太大，再加上日军有飞机掩护，雪花山形势比较危急。经过一整日的敌我往复冲锋，雪花山阵地仍由守军坚守。但12日下午7时左右，日军派兵一部向17师右翼49旅阵地刘家沟附近攻击，阵地被突破，49旅分别向刘家沟及旧关方向撤退。同时，井陉阵地也被日军攻陷。

10月13日拂晓，攻陷井陉正面的日军组织继续向雪花山阵地进攻，日军虽得增援，但并未得逞。守军17师趁夜出击，向长生口方向的日军反击，克复刘家沟、长生口和井陉南关车站，进展顺利之际，负责防守雪花山的17师102团团长张世俊在敌人强攻之下，违令放弃阵地，致使雪花山失守。师长赵寿山立即处死了张世俊，以立军威。赵寿山率部立即进行反击，但最终没有收复雪花山。赵寿山遂率余部向乏驴领、北峪、荆蒲兰一带守备。日军一部据守雪花山，开始向乏驴领发动攻击。

进攻关沟旧关一线的日军主力是川岸师团左追击队鲤登大队。川岸师团于10月12日攻向井陉、雪花山之际，步兵联队鲤登大队就攻下刘家沟进占长生口并于翌日早晨由长生口出发，一路西进直奔旧关。旧关是中国军队兵力布置薄弱地区，因最初布置时，旧关处于第17师阵地和第3军阵地的结合处，是两阵地相交且两军相交之地，往往最为薄弱，故旧关守备空虚，成为漏洞。

10月13日早晨，27路军军长冯钦哉判断日军走向，当即下令要求27路工兵营（欠1连）附特务4连由磨河滩进守旧关阻止西进之敌。部署刚毕，日军炮兵千余人、伪满兵百余人向旧关守备军猛烈攻击。因为仓促应战，13日下午2时，旧关被日军攻占。旧关失陷，对中国军队打击很大。因为旧关位于娘子关以南，是晋东娘子关的右门户，在军事上的重要地位，决不逊色于娘子关。

如果旧关有失，相当于截断了娘子关的后路，娘子关也就无险可守。然而，当时旧关四周一带，中国军队仍占优势。因此，需趁日军占领旧关不多时，对旧关日军进行包围反击并夺回旧关。

增援来的孙连仲部27师成为了反攻旧关的主力部队。孙连仲当即下令要求27师一团作为进攻旧关主力，一团向旧关以南新关阵地推进，支援旧关作战。唐淮渊12师35旅及补充团也来支援，占领甘桃驿阵地。这样中国军队对旧关日军形成包围之势，并派兵力一部在大小龙窝、核桃园一线切断日军西进的增援部队。

日军右追击队羽鸟大队攻占井陉后，在井陉西侧高地进出切断正太线，10月13日派出77联队第3大队袭占地都南方高地。攻占旧关的左追击队鲤登大队占领旧关北侧，派出一部向地都前进，与羽鸟大队第3大队联系。很快，由旧关向地都前进的日军在关沟一带遭地都守军 27师79旅黄樵松旅三面包围，大部分被歼灭，残余日军退回被困的关沟。关沟一战后，中国军队继续组织对旧关日军进行反攻，旧关日军也不断向旧关周围高地及新关、甘桃驿阵地攻击占领。

中国军队对旧关反击持续了2日，虽歼灭日军500余人，但在大炮掩护下仍占领旧关高地，而且从井陉方面又有源源不断而来的日军，战局非常紧张。如果不尽快将旧关的日军歼灭，夺回旧关，那么等增援的日军到达补充兵力后，夺回旧关更加困难。黄绍竑再次布置兵力，将赶来增援的曾万钟第3军作为攻击旧关的主力，冯安邦27师负责肃清关沟的日军，并派其主力在龙窝附近切断日军的后方联络，一部分协同曾万钟第3军攻占旧关。

10月16日拂晓，中国军队再次开始对旧关日军进行大规模进攻。同时，日军的攻击也开始了，井陉增援日军以飞机大炮向攻占核桃园的第3军一部34旅猛攻，34旅被击退到旧关东南高地；旧关东南高地第12师与日军对峙，情势危机之下，38军教导团赶到，加入战斗。16日夜，26路军总指挥孙连仲再次对兵力进行部署：曾万钟第3军一部封锁大小梁家、北洋沟、红土领各要点，阻止敌人后续部队的前进；冯钦哉27师以有力一部占领长生口及大小龙窝附近，断敌后路；31师池峰城部一旅协同27路军工兵营、冯安邦27师一部向旧关反击；同时要求各师旅炮兵率先进行猛烈射击，予敌重大打击后，包围歼灭。

10月17日拂晓，第3军12师35旅、27师一部、38教导团等部队分别开始向旧关附近高地的日军施行攻击，均有进展。其中38军教导团占领旧关以西高地，但因日军多次反攻，教导团与其周旋，损失惨重。

10月18日拂晓，日军增援向大小龙窝以南山地，与旧关日军互为呼应，分向池峰城31师阵地黄石嘴、冯安邦27师守备的关沟及1000高地进攻。入夜，黄绍竑派31师夜袭旧关，但拂晓时日军增援，反攻肉搏数十次，寡不敌众，31师被迫撤回原阵地。另一支唐淮渊12师35旅一部协同31师一部向旧关附近日军进攻，占领旧关西、南两处高地，另一部占领东高地。核桃园阵地，曾万钟部马昆第34旅及李世龙19旅一部向核桃园千余敌进攻，并最终攻占核桃园，将通往旧关的道路封锁。此时旧关方面，自旧关失守后，日军与中国军队已激战多时，虽将旧关日军歼灭一大半，但仍无法将阵地收回，且参战各师伤亡惨重，教导团几近覆灭；娘子关正面，雪花山退至乏驴领的赵寿山17师也受到日军飞机支援的全面攻击，守军无法抵抗，部分被迫退守北峪附近。

10月中旬以来，日军第20师团除第39旅团以逐次增兵方法进攻娘子关外，主力集结在石家庄附近休整。然而，由于忻口陷入苦战，遂要求第20师团尽快攻占娘子关进入阳泉，策应忻口第5师团会攻太原。10月19日，日军第1军遵照方面军的指示，命令川岸师团长以全部兵力“须攻击当面之敌，攻占阳泉平原。

10月20日，师团长川岸文三郎决定分两个纵队向阳泉发动进攻，右纵队（原右翼支队）沿井陉-新关-石门口大道及其以北攻击敌人；左纵队（步兵四个大队、山炮兵一个大队为基干）沿微水镇-侧鱼镇-石门口大道地区前进，进入右纵队正面的敌人背后 ，以使其右纵队攻击容易，其余部队集结于井陉附近。

日军右纵队第39旅团一部于10月20日在飞机掩护下，向北峪、大小龙窝及地都一带阵地进攻。经反复争夺，守军张金照第30师及冯安邦第27师伤亡惨重，阵地多被突破，仅仅固守阵地内高地。21日到22日两日右纵队继续猛烈攻击1000高地，并攻陷北峪及东西葛丹阵地。

10月22日早晨，日军陆空协同向27师1000高地及第30师溃泉阵地展开猛烈进攻。日军突破溃泉，但该师与武士敏第169师协同下在常坪附近侧击，夺回溃泉阵地，将入侵日军逐回北峪附近。连日来日军步步紧逼，右纵队已经逼至娘子关的关隘口，对娘子关形成包围之势，而中国军队虽奋力抵御，仍被迫后退。黄绍竑又获悉日军又增兵400余人，由东西葛丹向守军左翼运动，有威胁守军侧背企图，遂令26路军缩短战线，占领绵山至苇泽关一带阵地，阻敌西进。这时娘子关右翼地区在23日到24日期间，长生口、旧关的日军在空军支援下向第3军阵地红土领迄甘桃驿周围地区猛烈攻击并占领，企图将井陉输送增援部队的道路肃清，守军第3军伤亡惨重。日军右纵队继续攻击娘子关正面守军阵地，同时川岸师团派出的左纵队（40旅一部）四个大队于10月21日从石家庄西方地区出发，经获鹿县、微水镇、南横口，22日晚步兵79联队主力大部到达南、北障城，先头部队抵达侧鱼镇东北方高地。黄绍竑依据这种形势，急调增援的129师刘伯承部进驻前方七互村、马山村地区。孙连仲也于22 日电陈阎锡山要求调生力军增援。阎锡山急令太原22集团军41军增援至阳泉地。

10月23日，日军左纵队先头部队到达七互村附近与129师386旅及第7师一旅发生战斗，日军很快占领七互村一带，并向马山村附近行动。第41军第122师王铭章第364旅师受命在七家峪、马山村一带拒止日军西进，但立足未稳之际，便遭受日军出其不意的侧击，损失惨重并退出阵地。马山村日军趁机进至刘家沟、十字路一带，向第3军所在的固驿镇发起攻击，第3军抵抗固守。左纵队25日突破东回镇南北线阵地，26日进出柏木井附近，威胁娘子关与旧关的侧后背地区。

10月26日，日军继续向守军阵地猛攻。当日拂晓时，日军第40旅团一部已进至娘子关、新关侧后的柏木井附近，严重威胁娘子关。黄绍竑得到阎锡山的同意后，将主力转移至巨城镇、移纕镇进出柏井驿、桥头村来阻挡由马山村西进的原左纵队；暂留调赴北正面之冯钦哉部三团，于上下盘石至巨城镇间抗拒由娘子关方面敌军之进入。

26路军主力转移后，娘子关仅由其所留少数人防守，日军乘势进攻，当日占领了娘子关。从此，晋东门户被打开，太原屏障全失。

日军第20师团于10月26日占领娘子关后，第1军为乘机扩大战果，以便一举攻略太原，令20师团继续攻击。师团以两纵队分别作为右追击队和左追击队，向阳泉平原追击。面对此形势，中国军队各部重新布置兵力组织战斗，继续阻挡两路西进日军。为确保平定地区，右翼由41军之王铭章122师及孙震（兼）124师守备，令124师之372旅确保石门口一带，第122师占领赵家庄、冶西一带；正面26路军张金照第30师占领1121高地经上庄迄1018高地之线；27路军42军占领白道堰经乱柳村至龙庄西方高地。左翼方面，27路军方面169师占领桐花村、山头村、卧虎村一线；另由神灵台转移17师占领巨城镇（不含）、马鞍山、南畔之线。阎锡山因无兵增援正太线，电令五台山区115师及120师速赴阳泉。

10月27日、28日两日，日军左追击队将石门口一带124师372旅击退，124师退守的西郊村阵地也被其尾随攻陷。该日军一部在飞机支援下，还将30师阵地1121高地攻陷，守卫该阵地的30师两连全部殉难。右追击队攻陷由神灵台转进的赵寿山第17师防守的巨城镇。沿正太线西进日军，进占移纕镇后向42军及169师攻击，并陷黑土崖阵地。是时，27路军阵地在日军一部攻击下退守甲鱼沟、蔡家峪、张家沟一线。

此两日曾万钟军第3军、川军124师、27路军2师均受日军压迫，逐次后退。收到蒋介石“部队不准退至寿阳以西”命令后，孙连仲拟定三个抵抗地带：从现阵地为第一次，以赵家庄、南茹村、辛兴镇为第二次，以台泉上、龙泉镇、郭家庄、南沟为第三次，以松塔镇、芹泉镇为最后死守地带。孙连仲同时规定了其池峰城部、张金照部活动范围：第31师沿平榆大道两侧各两公里，左与第30师连接；第30师居中。右与第31师，左与第42军连系；第42军沿正太路向右四公里，与第30师连系，向左两公里。

10月29日、30日，31师守备的平榆大道两侧、30师守备的平定地区遭受日军攻击。在白家掌守备的31师遇敌三千余猛攻，守备两连全部牺牲，平定地区被日军攻陷。日军继续向阳泉地区近迫，阳泉亦被攻陷，26路军大部分部队伤亡惨重。孙连仲遂命令30师、31师撤至第二战线，两师虽损失惨重仍继续奉命抵抗，另有赵寿山17师在甲鱼沟及河底镇。当时曾万钟军残部退守在上龙泉以北，122师残部在上龙泉以南，川军残部在辛兴镇附近。

10月31日，沿正太线西进的日军右追击队约千余人突破川军124师退守的辛兴镇阵地，并向南茹村阵地进攻，孙连仲的第二抵抗地带也被突破。蒋介石见晋东形势紧张，急电第一战区，令汤恩伯率部参与晋东作战，攻击日军侧背。汤恩伯率第13军经涉县、昔阳、平定前进，攻击日军侧背。

11月1日，孙连仲部队26路军占领正太路一线高地继续阻敌西进，同时令30师张金照部占领寿阳东部高地；122师、124师在第三抵抗地带上下龙泉镇占领阵地。然而，第2日占领寿阳东高地的张金照30师遭日军夹击，寿阳正面及马首村阵地也受到日军攻击，激战多时，30师、31师及第3军一部分向卢家庄地区转移，寿阳城被陷。日军迅速进逼榆次，危及太原。

娘子关战役从10月11日日军攻占井陉始到11月2日攻陷寿阳城历时22日，中国军队虽顽强抵抗，但仍无法挽回败局。此战役中，国共两党抗日军队共死伤2.7万多人。

娘子关战役作为抗战初期国共合作的重要战役，虽然没有抵挡住日军西进的步伐，但是中国军队在正太路沿线表现异常勇敢，以血肉之躯拖延增援日军，阻滞了日军西犯进程，也在一定程度上打破了日军“一个月拿下山西”的企图。

史学界多将忻口战役的失败归因于娘子关失守。他们认为倘若娘子关战役不败，20师团无法与北部板垣师团遥相呼应，对太原形成夹击之势，太原也不会很快沦陷。阎锡山也在日记中无不惋惜地说“假使娘关不失败，岂只念三任敌攻”。

在日军20师团的一份战斗配备清单中，不但有步有骑炮工辎各兵科均衡建制，且有大量配备攻坚部队，战车队、装甲车队、独立重炮旅团或联队、重机枪大队，同时又有强大的临时航空兵团与防空部队，及随军作战的后备部队。娘子关方面虽然筑了一些炮位，但大炮一枚也没有 ，而且后来支援的炮兵团面临很大困境。炮兵第30团，配备山炮1枚，山西造一三式大炮14门开赴娘子关战斗支援。但大炮常常在转移阵地时因没有步兵保护和骡马缺失无法实现，发射炮弹也是由临时拉来的民夫装填炮弹和发射，边操作，边训练，就这样和敌人作战。

阎锡山制定防御计划时，重视晋北方面的防御，将山西军队以及中央军主力大部布置在以忻口为中心的阵地及其两翼，而在晋东的兵力十分薄弱。阎锡山秉持这个观念将后方派来的部队大部分分派到忻口，当第27路军冯钦哉部及第3军曾万钟等部受命在井陉、娘子关组织防御时，日军跟踪而至，守军在仓促进入阵地、立足未稳之际即遭日军攻击，致使雪花山开局便处于弱势。14日日军一部约八九百人绕攻长生口，直抵旧关，近迫娘子关侧后，当时旧关亦是兵力未集，部署未定，很快遭到陷落。

娘子关战役参战部队有中央军的曾万钟部、孙连仲部、冯钦哉部；西北军赵寿山部和李振西部；川军孙震部；八路军129师陈赓部；阎锡山晋绥军等五大组成力量。部队成分复杂，在娘子关担任指挥方面造成很大困难。

中国军队初始兵力不足、布防分散导致在后面的作战中，不断调兵，不停重新部署。这就决定了中国军队疲于应战，无法集中兵力主动应战。各部队分散驻守阵地，部队间经常会因为某一阵地形势危急而赶去支援，自身阵地出现防守空隙反被日军占领。战役期间，部队四处奔波情况屡见不鲜，致使中国军队疲于作战，兵力浪费。

娘子关战役的失败，对当时整个太原会战的失利产生巨大的影响。太原会战除了晋东的娘子关战役，还包括了晋北平型关战役、忻口会战以及后期的太原保卫战。其中，忻口战役为中心战役，是日军的主攻方向，日军突破忻口地区后便可直接南下进入太原平地。日军第1军最初的战略便是第5师团忻口，20师团为策应攻入晋东地区娘子关关隘。以此战略，不仅可以分散晋北地区兵力，而且可以实现侧面支援，进而相互配合地进入太原。日军的战略是成功的，娘子关守军在经历22天的顽强抵抗后被迫压缩战线，正太线日军顺利攻入娘子关后又不断突破阵地，进入寿阳城。这样，忻口第5师团也顺利南下。11月5日20师团占领榆次，6日忻口日军兵临太原城下，7日、8日两日两路日军在日空军配合下对太原发动总攻，9日太原沦陷。