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为增强忻口正面防御，阎锡山在16日命令第19军迅速开赴金山铺，归卫立煌指挥。阎在电报中严饬该军长王靖国：“此次战事关系华北存亡，着该军军长戴罪立功，严督各旅拼死杀敌，以赎前惩。”并令第15军军长刘茂恩：“灵山又被敌突破，仰速集结兵力拼死恢复，以免影响战局，并着严督所部死力抗敌，不得再有疏失。”
17日至19日，日军对南怀化东北高地和官庄高地又发动数次猛攻，但均被守军击退。经多日激战，日军在忻口伤亡两万余人，始终未能攻下南怀化，便转攻大白水。19日后，已无力发动全面性大规模进攻，只能以小部队实施局部攻击。日军“华北方面军”为加强第5师团进攻能力，以“中国驻屯军步兵旅团”第2联队为基干，配属骑兵、工兵、战车分队组成萱岛支队，加入第5师团战斗序列，于22日到达原平。
24日，日军第5师团长将萱岛支队投入战场，再次向忻口地区守军发动攻击，将重点指向官庄以南及左翼的南峪、朦腾阵地。守军顽强抵抗，日军毫无进展。26日，日军继续攻击。左翼守军第83军朦腾村阵地被日军突破。中央与右翼守军则将日军阻于阵地前，进展甚微。27日，日军从东西荣华村突破口向守军贾村阵地猛攻。左翼朦腾村北高地被日军攻占。守军第10师一部反击，将高地夺回。此日，忻口前线全线激战，敌我伤亡均重。日军即以飞机轰炸扫射，并施放催泪性和喷嚏性毒气，掩护步兵向守军阵地逼近，均被守军击退。敌我处于对峙胶着状态。
在正面战场激战期间，第18集团军（八路军）在晋东北及晋西北地区广泛开展游击战，袭击日军侧背及破坏日军后方交通线，有力配合了正面战场作战。
八路军120师切断了日军由大同到忻口的交通补给线，115师打击了蔚县至代县的日军交通补给线，使进攻忻口日军的弹药，油料供应频于断绝，攻势顿挫。日兵食不果腹，衣不御寒，不得不以军毯裹身，玉米充饥，伤兵不能及时后运，在堑壕里**。129师第385旅第769团夜袭代县以南阳明堡日军前线机场，烧毁敌机24架，使敌军攻击力量大损。
蒋介石于10月17日致电朱德、彭德怀：“贵部林师及张旅，屡建奇功，强寇迭遭重创，甚堪嘉慰。”
忻口前线守军与日军对峙20余日，日军无力前进，其后方及交通线又受到八路军游击战严重威胁，陷于被动境地。但晋东守军防御失利，娘子关、平定、阳泉等地相继失守，守军部队正向太原溃退。因此阎锡山于10月31日夜间决定，忻口地区地区守军全线后撤。
11月1日，阎锡山致电卫立煌：“我晋东军因受优势之敌压迫，正逐次向太原以东地区转移中，除已令傅总司令在太原布置城防，以固我资源重地外，希贵部在蔡水坞、青龙镇、天门关之线占领阵地，俟敌接近，一举而歼灭之，并协助固守太原之傅（作义）军依城野战，以保卫太原。”
11月2日，卫立煌遵照阎锡山电示，下达转进令：“军以确保太原、防敌深入、协同友军将其歼灭之目的，拟于本日（2日）夜，先向太原以北附近地区转进，限4日午前到达指定线占领阵地。”忻口地区各兵团于2日黄昏，脱离阵地向后撤退，至此忻口战役结束。
忻口战役是全国抗战后，国民政府军与第18集团军在战区统一部署、密切配合下，所取得的正面坚守与敌后机动作战一次成功的防御作战，严重打击了日军锐气，增强了中**民抗战必胜的信心和士气。中**队英勇抗敌，高级将领身先士卒，视死如归壮烈殉国；广大官兵舍生忘死，坚守阵地20余日，且迭次出击，歼敌三万余人，阻止了日军南进，大耗了日军兵力，达到了分散日军、各个击破之效，符合“持久消耗”的战略总方针。
1938年3月12日。**中央主席**在延安举行纪念孙中山逝世13周年及追悼抗战阵亡将士大会上，致演说词中道：“八个月来，陆空两军都做了英勇的奋战，全国实现了伟大的团结，几百万军队与无数人民都加入了火线，其中几十万人就在执行他们的神圣任务中，光荣地壮烈地牺牲了。这些人中间，许多是国民党人，许多是**人，许多是其他党派和无党派的人。我们真诚追悼这些死者，表示永远纪念他们。从郝梦龄、佟麟阁、赵登禹、刘家琪诸将领到每一个战士，无不给了全中国人民以崇高伟大的模范。中华民族决不是一群绵羊，而是富于民族自尊心与人类正义心的伟大民族……郝梦龄将军等的热血是不会白流的，日本强盗被赶出中国谁能说不是必然的！”