日军攻陷原平后，向忻口进犯。12日，中央集团军于忻口北龙王堂、界河铺、大白水、南峪之线与日军激战。卫立煌在第14集团军到达忻口附近后，会合第二战区各部，将兵力分为3个兵团，以刘茂恩指挥右翼兵团，郝梦龄指挥中央兵团，李默庵指挥左翼兵团。
13日起，日军向中央兵团南怀化阵地、左翼兵团阎庄阵地猛烈攻击，守军拼死坚守，与敌肉搏，阵地失而复得数次。团长曾宪邦饮弹殉国，连长以下官兵伤亡殆尽。当日，刘家麒师的南怀化阵地被突破，李仙洲师增援，血战至14日晨，山头失而复得，数次夺回。
14日，忻口守军开始出击，战况空前激烈。形势先对中国军队有利，但中午李仙洲师长、新编第4旅旅长于振河相继负伤，日军大批飞机、战车、大炮支援攻击，致南怀化又陷敌手。15日、16日，南怀化附近和左翼大白水等阵地，李仙洲、郝梦龄、陈长捷各军与日军主力激烈搏战。16日，第9军军长郝梦龄、第54师师长刘家麒、独立第5旅旅长郑廷珍等在忻口山地督率所部与日军激战时阵亡，第218旅旅长董其武负伤。卫立煌指派陈长捷统一指挥中央兵团各部队作战。忻口守军冒着飞机轰炸、炮火射击，向日军的攻击顽强逆袭。
