日军占领平津后，调集20万兵力，分3路沿平绥线、平汉线和津浦线向华北进攻。8、9月间，日军先后占领张家口、大同。此后，日军进攻重点转向山西，以14万兵力，从晋北和晋东两个方向向太原挺进。

    山西为华北战略要地，为确保晋北，中国军队在平型关、雁门关、神池一线沿内长城组成防线。9月24日，中日两军在平型关形成对峙，日军猛攻平型关正面，双方伤亡惨重。在平型关担任敌后侧击任务的八路军115师决定利用平型关附近的有利地形伏击日军，予进攻之敌以毁灭性打击。24日夜，伏击部队冒雨进入阵地。25日拂晓，日军坂垣师团第2l旅团辎重和后卫部队4000余人进入伏击圈。115师将土立即以排山倒海之势向日军发起冲击，与日军展开白刃肉搏，使日军优势火力无法充分发挥。被围日军利用地形作垂死挣扎，日军飞机也飞临战地上空，由于双方短兵相接，日机无法扫射投弹。涞源、蔚县日军企图增援被围之敌，遭到115师独立团和骑兵营阻击，未能得手。经过一整天激战，号称日本皇军精锐的坂垣师团2l旅团遭受重创。l15师在一天的战斗中消灭日军1000余人，毁敌汽车80余辆，缴获大批武器弹药和物资。平型关的胜利极大地鼓舞了中国军民的抗战信心。日军在平型关受挫后，增强兵力，继续进攻。28日，日军攻占茹越口，29日进占繁峙，平型关左侧后受到威胁。lO月1日，中国守军从内长城防线全线撤退，以约30个师的兵力组成了忻口防线。

   1937年9月上旬，日军逼近大同。图为中国军队骑兵由大同驰击日军。

   9月25日，日军坂垣师团一部进入八路军115师预伏地区，遭115师沉重打击，1000多人被歼，辎重丢弃无数。平型关大捷是中国军队抗战以来第一次大胜利，极大地鼓舞了中国的民心士气。图为115师师长林彪(左一)在指挥作战。

   115师在平型关的机枪阵地。

   从lO月中旬至11月初，中日两军在忻口地区大战。中国军队英勇作战，歼敌2万余人。日军虽付出重大代价，却始终未能动摇中国军队的阵地。图为忻口前线中国军队炮兵阵地。

    10月13日，日军向中国军队忻口防线发起猛攻。中国军队依托险要地势，顽强抗击。两军在南怀化、红沟等地的争夺战殊为惨烈。白天，日军以飞机、大炮、坦克掩护步兵冲击；夜晚，中国军队以小分队对日军实施夜袭。战斗日夜不绝，阵地反复易手，战局呈胶着状态。双方在忻口地区激战20余天，中国军队歼敌约2万人，创华北战场大举歼敌纪录，中国军队自身亦遭受很大伤亡，但始终未让日军突破忻口防线。

    为配合忻口作战，八路军115师和120师在日军侧翼和后方展开游击战，一度曾占领平型关、雁门关，截断日军通往忻口的主要交通线。八路军129师一部夜袭阳明堡机场，激战l小时，焚毁日军飞机24架。

    此时，中日两军在晋东方向也展开激烈战斗。中国军队在晋东娘子关一线有8个师进行防守。日军于10月12日对娘子关正面发动进攻，未能得手。日军主力遂向娘子关右翼迂回，经半个月战斗，占领娘子关。几天后，阳泉、平定失守，太原震动。此时忻口已失去防守作用，中国守军从忻口全线撤退。在日军猛烈追击下，中国军队在太原未能组织起有效防御。11月8日夜，日军突入太原，经肉搏巷战，仅存的2000中国守军突围撤退，太原失守。

    在日军主力进攻太原之时，沿平绥线西进的日军占领归绥、包头；沿平汉路和津浦路进攻的日军占领安阳和济南。至此，华北地区的主要城市全部沦陷。

   在太原会战中，日军动用飞机300架，中国军队有飞机30架。图为在忻口作战中被中国军队击落的日机。

   为配合忻口作战，八路军120师10月中旬在雁门关附近连续伏击日军，先后击毁日军汽车、装甲车50余辆，歼敌800余人。图为被120师击毁的日军汽车。

   10月底，晋东前线告急。11月2日，忻口防线的中国军队奉令撤退，向青龙镇既设阵地转移。图为中国空军支援晋北战斗。

    从忻口撤退后，中国军队原拟利用太原附近既设国防工事，以一部守城，主力分置太原东西两加高地，依城野战。部署还未就绪，日军已迫近太原，中国军队在太原未能组织起有效抵抗。11月8日，太原失守。图为日军进占太原。