从军事地理与经济地理的视角来看，夺占山西，是华北日军在这一阶段的重要作战目标。
只有控制了山西，日军才能确保对华北的占领。
山西“四面环山，为一高台地，有如华北之脊。东北依长城毗连冀察绥三省，西南隔黄河与豫陕为界”。省会太原“扼同蒲、正太两路之交汇点，当汾河左岸，襟山带水，自古称为重镇。雁门、平型、紫荆、娘子诸关口，险阻天成……”就经济上言之，仅煤炭一项即足以令日本人动心。据战前统计：山西的煤炭储藏量约为1280亿吨，16倍于日本；就产额来说，山西约为270万吨，居全国第二。放眼山西，“九十余县中，有五十余县为产煤区，可谓遍地皆煤”；从品种上来说，山西的无烟煤远销海外。
这也正解释了日本人在进行华北攻势的时候，为何不先全力攻占山东和河北的全部，而是在中途改变用兵重点，全力进攻山西。至1937年8月下旬，日军已经突破居庸关、攻陷张家口，山西危急！
阎锡山最初打算将日军诱至大同以东予以歼灭。
张家口沦陷之后，第二战区司令长官阎锡山判断：日军的下一步动向将会沿平绥线进犯大同。如此，战场很可能会局限于雁门山以北的雁北地区。于是，他决心将敌诱至大同以东聚乐堡地区已设国防工事地带，集结强大兵团于南翼的浑源、东井集一线和北翼绥东的丰镇、兴和间，发动钳击；并以骑兵集团抄袭张家口。
令阎锡山没有想到的是，开战不久，他的“大同会战”计划就破产了。
第五师团的攻击路线恰好是一年前其师团长的旅游路线。
9月5日，六十一军所据守的、从永嘉堡到天镇间的国防阵地为日军察哈尔派遣兵团所冲破。三天后，大同外围要点阳高与天镇相继失守！就这样，“大同会战”的基础已经动摇了。更要命的是，阎锡山的那位日本老同学也开始行动了。9月6日，时任第五师团长的板垣指挥部队从宣化、新保安和怀来出发，沿着一年前自己所走的那条“旅游路线”向山西攻击前进。11日，板垣进占察南蔚县，14日攻克山西广灵……板垣师团的下一步动向很明显：强行突破平型关后包抄雁北。
眼见“大同会战”全盘皆非，阎锡山被迫下令放弃大同。13日，日军独立混成第一旅团未经战斗便进入晋北重镇大同。
平型关还是雁门关？
大同的沦陷与板垣师团的疾进，使得阎锡山不得不苦苦思考一个问题：同时出现在北、东北两大方向上的敌情，哪个威胁最大？
晋东北的地形让阎锡山下决心首先对付来自平型关方面的威胁。
仔细研究晋东北的地形之后，一个全新的作战设想形成于阎锡山的脑海之中。他认为：虽然大同丢了，但此路敌军在对太原形成真正威胁之前须连续仰攻构筑在恒山、五台山上的中国阵地；而平型关那边，即使板垣师团能破平型关而入，逆滹沱河谷西进，自己也可以厚集重兵对付之。
尽管板垣征四郎所指挥的第五师团是日本陆军中一等一王牌，但这并未影响到阎锡山的必胜信心。早在十年之前，阎锡山曾指挥部队与奉军激战于同一地区。当时，他成功地将对手诱入平型关内后予以重创。显然，阎锡山认为成功是可以复制的，他要为自己的那位老同学布一个“口袋阵”。
一旦板垣师团被诱至砂河、繁峙，阎锡山的伏兵将从四面杀出。
为此，阎锡山将两个军摆在平型关正面，吩咐他们对敌略作抵抗后即撤入南面的五台山充当机动兵团；他又在北面的恒山上放了四个军；在砂河、繁峙这条“决战线”上，还有两个军严阵以待。一旦板垣师团被成功地诱至决战线，则正面部队全力反击，同时隐蔽在恒山和五台山上的伏兵南北夹击，东边的平型关也将被封闭。
对于自己的这个计划，阎锡山本来很有信心，他让部下一定要“布好口袋阵，让敌进得来，出不去”。遗憾的是，然而，阎锡山没能坚持自己的意见。
出于被日军捅破口袋底儿的担心，阎锡山修改了作战计划。
针对阎锡山的“口袋阵”，有部下提出不同意见：敌人的主攻方向在北面，东面不过是牵制部队。况且，一旦被日军突破决战线，则太原不保。阎锡山最后被说服了，并修改了作战计划。根据这个新计划，阎锡山将主要兵力用于防范来自雁门关方向的敌人；平型关这边，则要求部队坚守阵地而不是之前的“虚晃一枪”。
这个改动带来了灾难性的后果！9月24日，板垣师团猛攻平型关。在日军优势火力之下，本该坚守团城口阵地的高桂滋第十七军为避免被歼而以执行先前那个计划为借口擅自撤走，以致关门洞开。为夺回，阎锡山连忙从恒山和繁峙抽调部队进行反攻。可就在两军在平型关下混战之时，北路日军独立第15独立混成旅团利用当方面守军兵力减弱之机发动进攻，并很越恒山而下夺占繁峙城。在两路日军的前后夹击之下，阎锡山被迫于30日再次下令部队作全线撤退。
中国将士在忻口的奋战阻滞了日军的攻势。
忻口的渐露曙光与娘子关的致命疏忽
平型关会战失利后，由于中国军队在淳县和原平顽强抵抗，为阎锡山在忻口布置新的防线争取了时间。
忻口是一个较大的村落，位于忻县城北25公里处，同蒲铁路贯通南北。其历史很悠久，相传“汉高到此，六军忻然”故而得名。在忻口西北部有一红土梁，梁北的云中河流经忻口北的界河铺后汇入滹沱河。滹沱河在此由南经灵山脚下折向东北。这样，忻口村被夹在红土梁与灵山之间，成为南北之间的要隘，易守难攻。由于这是太原以北的最后一道屏障，因此从上个世纪三十年代开始，阎锡山命人在位于村西南侧那条西南、东北向的 “红沟”构筑了30多孔具有军事用途的窑洞。现在，这些“国防阵地”派上了用场！
为了保卫太原，阎锡山集中了28万多人设防忻口。从10月13日开始，日军在飞机、坦克和大炮所构成的“立体”火网掩护下，向忻口阵地发起一轮轮猛攻。中国守军在前敌总指挥卫立煌的指挥下沉着应战，以正面抗击结合反冲击的战术屡屡将日军攻势瓦解于阵地之前；已经深入到晋东北的八路军各部频频袭扰和威胁日军侧翼以及破坏敌后方交通线。其中，夜袭阳明堡日军机场的战斗直接缓解了正面友军所承受的压力。战至10月底，日军兵锋顿挫于忻口阵地之坚固，补给线又受到八路军的威胁，其攻势难以为继。
1937年10月27日，日军占领娘子关后继续向平定方向进扰。
就在奋战在忻口前线的中国将士即将迎来曙光之际，太原东面的娘子关方向出现的新情况使得战局再度恶化！
娘子关，位于山西省平定县东部，因相传唐太宗的姐姐平阳公主曾率娘子军在此驻防而得名。此关控扼晋、冀两省之要冲。近代以来，正太铁路穿过此地之后，火车在太行山的峡谷中蜿蜒前行。这更使得娘子关成为名符其实的山西东大门。
就在进犯山西的日军从平型关和雁门关扑向忻口的时候，沿平汉路南下的日军也于10月1日发起了所谓的“石家庄战役”。此时，阎锡山已接到不少人的提醒，要其注意东面娘子关方向的潜在危险。不过，阎认为，平汉路那边有一战区负责，他们能守住石家庄，则娘子关自然无虞；即便石家庄丢了，只要部队能在平汉路两侧粘住当面日军，则敌人断不会在侧背受到威胁的情况下西攻娘子关。最差，日军真的打到娘子关下，他也有时间调集部队凭借险要地形进行长期抵抗。
可令阎锡山万万没想到的是：当日军向石家庄发动进攻后，一战区根本抵抗不住，纷纷败退。不到20天，平汉路正面的中国军队主力便退过了漳河，一部沿正太路向西退向娘子关。这样，平汉路方向的日军得以在后顾无忧的情况下，分兵沿正太路向西进攻。眼见娘子关危在旦夕，阎锡山仓促调兵增援娘子关，但为时已晚！10月26日，娘子关失守。日军29日占领平定，30日占领阳泉。11月2日，距太原仅80公里的寿阳失陷。
眼见自己再次处于北、东两路日军的夹击之下，阎锡山在留下傅作义坚守太原的同时下令全线撤退。11月8日，日军攻占太原，守军在傅作义的率领下突围。
太原的陷落标志着持续了三个月之久的太原会战以中国军队的失利而告终。但战争并未因此而结束。虽然国民党军未能通过正规作战挡住日军的攻势，但一个全新的作战形态开始登上战争舞台，这就是以中共为领导的华北敌后游击战。