两者之间的第17军处境孤立，乃撤往长安岭、沙城地区。当时第17军仅存一个师即第84师，渡过桑干河后，该军被划归阎锡山领导的第二战区指挥。高桂滋率部沿蔚县、广陵大道防御日军，在山西灵丘火烧山同日军激战四个昼夜之后，于9月21日退往平型关内。此后，他参加平型关战役，在团城口布置正面防线，破坏入平型关的公路，同八路军115师形成左右两翼。日军铃木师团、坂垣师团多次进攻高桂滋部，高桂滋部同八路军115师配合，同日军激战了五天六夜。因伤亡惨重，高桂滋部此后退往忻口。日军先后攻占忻口、娘子关、太原之后，高桂滋率第17军