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此時日本的華北方面軍，又接到日軍在忻口作戰，再度受阻的情報之後，寺內壽一大將，只有立刻命沿平漢路南下的日本第一軍，派遣部隊由石家莊西進，越過娘子關，包圍太原，以攻擊忻口華軍的側翼，這是日軍一個大包抄作戰。日本第一軍司令官香月清司決定，第十四師團沿平漢路繼續南進，但是第二十師團則由石家莊西轉，仰攻山西高原，準備穿過娘子關而直接攻擊太原，以包抄忻口華軍的側後防線。

而在平漢路的日軍第十四師團，此時也深入到河南北部的漳河，同樣的受到補給困難與兵力不足的問題，無法再往南進攻，而華軍同樣地開始滲入日軍陣地的後方，對日軍的補給線進行游擊戰。這正是八路軍的作戰特長與發展的機會，八路軍就hetubook.com.com在開始山西高原、太行山山麓以及河北、河南丘陵地，迅速的擴大勢力，對日軍構成游擊戰的威脅；共軍也開始在黃河流域的中下游地區，控制了獨立自主的根據地。

而在內蒙的日軍，則由新成立的二十六師團（這是因為華北方面軍與關東軍，強烈爭執對於山西北部與長城以南戰區主權的爭奪，最後迫使東京軍部裁示，直接由參謀本部控制二十六師團）以及關東軍第一獨立旅團，由大同沿平綏鐵路西進，由於華軍部隊多數已經調往山西進行太原會戰，因此日軍沒有受到強烈的抵抗，在十月十七日，一路順利攻佔了平綏鐵路的終點包頭，日軍終於完成對於內蒙大體的控制。

閻錫山仍然在忻口佈署口袋戰m.hetubook.com.com術，日本第五師團板垣，負責主攻忻口華軍陣地，板垣是準備以日軍優勢的火力與機動力，在空軍的支援下，採取中央突破的攻擊方式，直撲華軍中央集團軍的陣地。十月一日起，中日兩軍在忻口陣地，展開了非常激烈的遭遇戰，華軍軍長郝夢齡，師長劉家琪以及多位旅長，都在忻口陣地壯烈成仁，多處陣地是反覆易手；而華軍在戰力懸殊之下，仍然力戰不退，繼續據險守住陣地的防線，一直苦戰到十一月二日。而進攻忻口的日軍第五師團，雖然付出極大的傷亡代價，但是仍然無法越雷池一步。

而這時華軍的孫連仲部，已經轉守正太路與娘子關一帶防線，因此與日軍二十師團發生激戰。孫連仲部在十月二十二日，成功地包圍m.hetubook.com.com在溝關的日軍第七十七聯隊，造成幾乎全殲日軍的輝煌戰果，日軍第二十師團也受阻於娘子關一帶。於是香月清司只有再下令，抽調日軍第一〇九師團的部隊，由北方的側翼攻聲華軍陣地，以支援第二十師團，這使得華軍在娘子關的作戰，受到日軍兩路的包圍，陣地接著被突破，由正太鐵路西進的日本第一軍部隊，終於在十月二十六日攻陷娘子關，華軍在太原的西方門戶因而洞開，日軍準備跟著攻下太原，以包抄在忻口防線的華軍。

忻口與雁門關是太原北方的門戶險要所在，華軍既然從平型關退到忻口，閻錫山就決定在忻口進行保衛太原的決戰，他的佈署如下，以中央軍的衛立煌為主組成中央集團軍，以中共的朱德部隊為主組成左翼集團軍，以楊愛httｐs://m•ｈeｔｕboｏk•cｏｍ.ｃoｍ源指揮右翼集團軍，以傅作義部隊為主組成預備集團軍。日軍則由板垣率領第五師團以及第二、第十一旅團，直撲忻口。

這時閻錫山知道情勢險惡，因此在十一月二日，下令在忻口防禦的華軍，向南轉進，以進行太原城的保衛戰，並下令傅作義出任太原衛戍司令。但由於華軍從忻口陣地撤退得太遲，通往太原的交通路線又是狹長的山谷地形，在日機猛烈的炸射之下，華軍的撤退亂成了一團，完全失去部隊建制的完整控制。華軍部隊在倉皇與混亂中退向太原，日軍第五師團卯足全力一路追擊，同時日軍的第二十師團與一〇九師團，已在太原東方形成攔腰截擊的攻勢，華軍根本無法按照命令退入防守太原的預定陣地，使得傅作義成為無兵可調的光桿衛戍司令。幸好日ｈｔtps://m•ｈｅｔuｂｏok.ｃｏm•ｃｏｍ華北方面軍，為了讓第五師團保留攻佔太原的顏面，因此下令第二十與第一〇九師團，暫時勒兵不動，而使得華軍有機會越過包圍而繼續南退，傅作義在空城計下，只防守太原一天，就只有突圍而去。十一月七日，日軍攻佔太原。

圖 21.2 太原會戰圖

這時日軍雖然攻佔太原，但是仍然沒有達成殲滅華軍主力的作戰任務，因此香月清司下令第二十師團與第一〇九師團，繼續沿著汾河與同蒲鐵路，向南追擊華軍，日軍最後一路攻到山西、河南與陝西交界，黃河邊的風陵渡。日軍經過長距離的戰場追擊，並沒有消滅到華軍主力，而此時日軍的補給線已經拉得太長，兵力不足的問題也十分嚴重，而一度四散的華軍，開始在日軍補給線後方出沒攻擊，迫使在山西南部的日軍收縮戰線，以保持戰果。