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忻口是一个较大的村落，位于忻县城北25公里处，同蒲铁路贯穿南北。村西北部为红土梁，村南部为灵山。忻口村被夹在红土梁与灵山之间，成为南北之间的天然屏障，易守难攻。忻口西南侧有一西南、东北向的山沟，名“红沟”。此沟内两侧有预先构筑好的国防阵地窑洞30多孔。忻口防御战的中央兵团指挥部就设在这里。
10月5日，第二战区新任副司令长官黄绍竑从南京抵达太原。6日，阎锡山召集卫立煌、黄绍竑、杨爱源、朱德、傅作义等研究晋北防御战兵力部署，周恩来被邀参加。
会议确定，忻口战役方针为：本战区以攻势防御之目的，以主力占领蔡家岗、灵山、界河铺、南怀化、大白水、卫家庄、1482高地迄阳方口既设阵地线，两翼依托五台及宁武各山脉，缩短战线，集中兵力，对侵入之敌，乘其立足未稳，迅速击灭之。
针对日军从平型关、雁门关、阳方口三路南犯的态势，把入晋作战的各路大军统筹划分为中央军、左翼军、右翼军和总预备军，拟从本月10日开始协同攻击前进，乘敌立足未稳，迅速击破之。兵力部署是：
中央集团军由卫立煌总司令指挥，辖第14集团军、第15军、17军、19军、第196旅、炮兵27团（欠第4、第6连），除令第19军三个旅在崞县、第196旅在原平固守外，其余拟以一部占领蔡家岗、灵山、界河铺、南怀化、大白水至1482高地之线阵地，以另一部在中解村、阳明堡、虎头山、黑峪村之线占领阵地。
右翼集团军由朱德总司令指挥，率领第18集团军（欠120师）、第73师（附炮兵1营）、第101师（附炮兵1营）及新编第2师，在五台山、罗圈沟、军马厂、翠岩峰、挂月峰迄峨口、峪口之线占领阵地。
左翼集团军由杨爱源总司令指挥，率第68师、第71师、第120师及独立第7旅、炮兵23团、24团、28团，各团第3营，在黑峪村迄阳方口之线占领阵地。
总预备军由傅作义总司令指挥，率第34军（欠196旅）、第35军、第61军、第66军及独立第1旅、独立第3旅，在忻县、定襄一带策应各方。
10月11日，第二战区忻口前线部队已全部进入指定位置，占领阵地。
战区进一步调整部署：将中央集团军担任的25至30公里的正面防线再划分为三个作战区，将中央集团军分为三个兵团，分别防守三个作战区。并令傅作义率总预备军加入中央集团军作战。仍由卫立煌任总指挥，傅作义任副总指挥。卫立煌并就新作战地区重新部署如下：
中央兵团：辖郝梦龄第9军（辖刘家琪第54师、郑廷珍独立第5旅）、李仙洲第21军、傅作义第35军、陈长捷第61军，前敌总指挥郝梦玲，副总指挥陈长捷；指挥部设在忻口西北高地后沟战备窑洞内。作战区域为：东起界河铺，西至新练庄，其中下王庄、弓家庄、旧河北等村与云中河南的界河铺、关子（官庄）、南怀化（河南）为主要作战地域。
左翼兵团：辖李默庵第14军（辖彭杰如第10师、刘戡第83师、陈铁第85师）、朱怀冰第94师、郭宗汾第2预备军，总指挥李默庵；指挥部设在沙洼村。作战区域为：东自新练庄，西至南峪，其中大白水、朦腾、南峪等村为主要作战地域。
右翼兵团：辖刘茂恩第15军，总指挥刘茂恩；指挥部设在受禄村。作战区域为：东起龙王堂，西到界河铺，其中南郭下、东西荣华、东西南贾为主要作战地域。
总预备队为：高桂滋第17军及第34军第203旅残部。另有炮兵九个团及空军支援作战。