太原作戦
正太線沿いの娘子関周辺には、山西省東部の防衛線として、太行山脈の険しい地形を利用した半永久洞窟陣地が幾重にも構築されていた。日本軍の判断では、守備する中国軍兵力は約13個師(山西軍・中央軍・四川軍・孫連仲軍)とみられた。
平漢線に沿って南下してきた第1軍(軍司令官:香月清司中将)は、石家荘攻略の際に第20師団の一部を太原へ向けて追撃させていたが、娘子関付近で激戦になった。10月19日、第1軍は第20師団の全力で前面の敵を撃破するよう命令し、第109師団の一部(昔陽支隊)を南に並行して昔陽へ向かわせた。娘子関正面の抵抗は頑強で、10月26日になっても突破することができなかった。第20師団は一部を手薄な左側から迂回させ、娘子関の背後に進出させた。このため中国軍は全面的に後退を開始し、追撃をおこなう第20師団は10月30日に陽泉を、11月2日に寿陽を占領した。昔陽支隊は11月2日に昔陽へ進出した。寿陽は太原の東方約50キロの地点で、日本軍が東から太原へ迫ったことで忻口鎮陣地の中国軍は動揺し始めた。そして11月3日夕刻、中国軍は総退却した。
忻口鎮や娘子関での苦戦を知った北支那方面軍司令官・寺内寿一大将は、第1軍司令部(石家荘)を訪れた際に「元来、山西に進入したことが、大なる誤算であって、東條と板垣の合作によって無謀に前進し、ついに、かくの如き失態を、かもした」と言い放ったとされる。ただ、寺内自身は不拡大派というわけではなく、河北省から南下して山東省を攻略し、黄河の線(徐州)まで前進することを希望しており、参謀本部は極力これを抑えていた。
その後この地には迂回・包囲作戦の成功を記念した建築物が建てられ反日プロパガンダに利用されている。
補給部隊が全滅したこともあり、三浦支隊では弾薬が底を突いていた。兵士たちの戦闘手段は、鹵獲した手榴弾や投石、白兵格闘だった。同9月25日、第5師団は三浦支隊が危機的状況に陥っていることを知ると、歩兵第42連隊を平型関へ急行させた。また、歩兵第21連隊主力は北から平型関の背後に進出しようとしていたが、三浦旅団の苦戦を知り28日に旅団主力に合流した。一方、関東軍は、9月22日に十川支隊を平型関方面に向かわせ第5師団に協力させた。2つの連隊を掌握した歩兵第21旅団(三浦支隊)は、29日から一斉に攻撃を実施、十川支隊もこれに協力した。しかしこの攻撃は成功しなかった。
そのころ、関東軍部隊は「第5師団が平型関を突破・大営鎮を占領し、繁峙へ向かって西進中」という情報(誤報)を得て、混成第15旅団と混成第2旅団を中国軍の退路遮断のため繁峙へ向かわせた。ところが長城線の茹越口で堅陣にぶつかり、混成第15旅団は9月27日から攻撃を開始、29日に突破して急進、繁峙を占領した。平型関正面の中国軍は後方を遮断され、9月30日総退却を開始した。しかし西方の繁峙方向へは退却せず、多くは南方の五台山方向へ撤退したため、兵力の少ない混成旅団は徹底的な打撃を与えることはできなかった。この日、三浦旅団は大営鎮に集結し戦力の回復に努めた。第5師団の損害は戦死270余人、戦傷800余人だった。