太原作戦
9月19日、板垣中将は「北支においてはおおむね綏遠―太原―石家荘―済南―青島の線を占め、ここに包合する資源を獲得し、そこに住む一億民衆を同僚として新北支政権を結成するを可とす」という意見を、私信として多田駿(参謀次長)・石原莞爾(参謀本部作戦部長)・寺内寿一(北支那方面軍司令官)の3人に発信した。参謀本部では、山西作戦を有利と考える武藤章作戦課長が、不拡大派で作戦に難色を示す石原と多田を説得した。板垣との関係が密接である石原部長は、滅多に手紙を書かない板垣からの熱心な意見に動かされた、と後年回想している。参謀本部作戦課では、板垣の意見した地域を占領確保する考えに固めようとしていた。
上海戦線へ大規模な増援を派遣する事態となって、石原作戦部長は辞表を提出した。不拡大派の石原が辞任した3日後、太原攻略の大命が参謀本部から下されることとなった(10月1日)。一方、北支那方面軍司令部でも第1課が山西作戦を要望していたが、第5師団を転進させるという寺内軍司令官の考えは変わらなかった。ところが10月1日、参謀総長から突如として太原攻略の命令を受領したため、すでに長城平型関を突破していた第5師団に対し太原攻略作戦の準備を命じた。
9月21日、第5師団長板垣中将は歩兵第21旅団(三浦支隊)に対して、霊邱から大営鎮へ向かって追撃するよう命令した。22日、大営鎮へ向かう三浦支隊(歩兵3個大隊基幹)は、平型関(現在の霊丘県白崖台郷と繁峙県横澗郷の境界付近にある峠。)を前にして中国軍の激しい抵抗に遭遇、戦況は容易に進展しなかった。第2戦区司令長官閻錫山は平型関―雁門関―神池を結ぶ長城線に第6集団軍(司令:楊愛源)、第7集団軍(司令:傅作義)などの部隊を配置して抵抗を命じていた。その兵力はおよそ6~7万で、平型関では第6集団軍が日本軍を迎撃した。
9月中旬、中国共産党は国共合作協議に基づき第18集団軍(八路軍)を山西省入りさせ、第2戦区の作戦に協力した。第115師(師長:林彪)は日本軍の後方を襲撃するため平型関以東へ迂回して潜伏した。9月25日、増援を率いてきた傅作義指揮のもと、平型関正面の中国軍は陣前逆襲を行い、三浦支隊は包囲された。これに呼応して出撃した第115師は、小寒村―関溝村間で第5師団の輜重部隊を待ち伏せ攻撃した。襲撃されたのは兵站自動車中隊(前線から霊邱へ帰還中)と歩兵第21連隊の大行李(前線へ前進中)で、山間隘路の別地点でほぼ同時に全滅状態となった。死者は約150人、負傷者は約40人だった。中国共産党は、日本軍1万人余り(後に千人余り)を殲滅したと発表し、これが抗日戦争で初めての勝利であると宣伝した。
1937年(昭和12年)の盧溝橋事件後、日本軍は北支那方面軍主力の平漢線・津浦線南下作戦を側面援護するため、8月中旬から第5師団と関東軍による察哈爾作戦を開始した。9月中旬、大同付近(内長城線外)を占領して作戦が一段落すると、方面軍司令部は広霊の第5師団に対し、河北省保定へ転進して平漢線沿いの作戦に参加するよう命令した。
方面軍の催促にもかかわらず、第5師団はすぐに転進しようとはしなかった。この時、閻錫山の山西軍(第2戦区軍)は内長城線沿いに集結して防御陣地を強化中であった。第5師団長板垣征四郎中将は、この敵軍を攻撃して長城を突破し、中国軍主力に打撃を与えて転進を容易にしようと決心していた。参謀本部や方面軍では、山西省を攻略するか否かについて意見が分かれていたが、第5師団との連絡は途切れがちで、師団の実情がはっきりわからなかった。また、中央は関東軍部隊をこれ以上前進させるつもりはなかったが、第5師団に同調している関東軍察哈爾(チャハル)派遣兵団 (長:東條英機中将)は積極的に内蒙や山西を攻略しようとしていた。
忻口鎮の中国軍の退却を知った第5師団は、一挙太原までの追撃を開始した。11月4日に開城鎮の陣地線を突破、翌5日には太原周辺の第一線陣地を突破して太原の北に進出し、第20師団も太原の南東から接近した。第2戦区前敵総指揮官・衛立煌は中国軍主力の太原以南への撤退を命令、傅作義が指揮する第35軍が太原を守備した 。11月4日に第5師団が第1軍に配属されたため、香月軍司令官は、第5師団の名誉のため同師団に対し太原の攻略を命じた。
11月6日、第5師団は太原城の攻撃を準備すると共に、軍使を派遣して開城・降伏を勧告した。しかし城内の守備軍は降伏を拒絶した。11月8日午前8時、第5師団は総攻撃を開始し城内に突入した。守備軍は頑強に抵抗し激しい市街戦が展開された。傅作義はわずかに残った守備軍2,000人を率いて包囲を突破して撤退、翌11月9日、太原は陥落した。第5、第20師団の損害は戦死889名、戦傷2,827名だった。太原攻略後、第5師団は石家荘への転進を命じられ、関東軍からの派遣部隊も復帰を命じられて帰還した。このため、第20師団が山西省に残ることになった。