10月11日，日軍第20師團攻占井陘後，即以一部兵力向娘子關正麵進攻，主力繞道前進。國軍第17師進到井陘附近時，日軍進攻即已開始，部隊被迫進行防禦。
12日拂曉，日軍在飛機掩護下，不斷向17師防守陣地進行攻擊。傍晚，井陘、長生口、大小龍窩相繼被日軍攻陷。
13日，天剛放亮，1000多名日軍向娘子關發起猛烈的攻擊。午後，日軍攻占舊關。閻錫山得知這一消息，大為吃驚。立即命令增援晉北的孫連仲，率領第26路軍回援娘子關。孫連仲組織多次反擊，仍未能奪回舊關。
日軍攻占舊關後，又向17師的防守正麵雪花山陣地攻擊。17師師長趙壽山指揮部隊頑強阻擊，日軍沒能突破雪花山陣地。
夜幕降臨，趙壽山親率17師反擊部隊，乘夜向長生口日軍出擊，突然向日軍發起猛烈的攻擊，順利突破了日軍的前沿陣地，就在部隊向縱深發展時，意想不到的情況出現了，日軍利用夜幕向雪花山陣地攻擊，雪花山被日軍攻占。趙壽山聽到這一消息，立即調整部署，向雪花山陣地進行反擊。黃紹竑得知雪花山的戰況後，立即命令第3軍主力向左轉移，策應17師作戰。
這一夜，17師的反擊戰打得異常激烈，仍未奪回雪花山陣地。部隊傷亡上千人。趙壽山指揮部隊退到乏驢嶺一帶，繼續準備戰鬥。
14日，國軍第27師等向日軍陣地反擊。27師在馮安邦指揮下向核桃園、舊關方向進攻，激戰到中午，國軍殲滅日軍400多人，核桃園、大龍窩、小龍窩等陣地被奪回。但中國守軍在娘子關一帶的不利態勢並沒有改變。在這種情況下，閻錫山命令第2集團軍孫連仲統一指揮娘子關附近作戰，16日以前必須消滅攻占舊關的日軍，恢複有利於我的態勢。
從10月15日拂曉開始，第12師、第27師等部，連續不斷向日軍發起攻擊，先後斃傷日軍第20師團鯉登行一少佐以下500多人。經過短時準備，中國軍隊於16日向日軍發起全麵攻擊。激戰數日，中國軍隊殲滅日軍2000多人，奪回一部分陣地，日軍憑借已占陣地頑強固守，並不時進行反擊，攻占了乏驢嶺等陣地。中國軍隊傷亡5000多人，不得不退回原陣地。
日軍華北方麵軍對娘子關一線對峙狀態很不滿意。日軍在忻口戰場受挫後，把攻占太原的希望放在娘子關戰線上。為打破僵持局麵，華北方麵軍寺內壽一大將命令第109師團劃歸第1軍指揮，協助攻占太原；命令第1軍部署精銳，迅速突破正太線方向的敵軍陣地。日軍原計劃為突破山西，迂回河北。現在成為攻占河北，迂回山西。
日軍第1軍司令官香月清司中將，重新調整了進攻力量。決定由娘子關新關進攻，打開中國軍隊的防禦缺口。曆史上韓信擊趙，就是由新關進攻的。
10月21日，日軍第20師團得到第109師團兵力加強後，在航空火力的支援下，一麵組織部隊從正麵進攻娘子關，一麵悄悄組織一左一右兩路縱隊，右縱隊向井陘、新關和石門大道以北方向攻擊；左縱隊向測魚鎮地區攻擊前進。
日軍改變進攻路線後，從側翼迂回，攻占了舊關，幾乎切斷了中國守軍的後路。黃紹竑見此情形，立即命令孫連仲，調1個旅阻擊舊關日軍，保障腹背安全；命令第6軍軍長曾萬鍾，指揮部隊迅速向攻占舊關的日軍發起攻擊。但曾萬鍾所部還沒有趕到預定地域，日軍又向前進逼，距黃紹竑的指揮部隻有數裏。
黃紹竑立即指揮特務團截擊日軍，並親臨前線激勵官兵殺敵，當黃紹竑對將要衝鋒的營長說：“攻占這個山頭，賞給你們5萬元。”
營長聽了說：“賞麼，我們不知道用得著用不著，軍人以服從為天職。我們總是盡最大努力與最後的犧牲來報效國家。我們為國犧牲了，戰後能在那兒立一座碑，紀念我們這些人，我們就很滿足了。”
在這場異常激烈的戰鬥中，山頭被這個營攻克了，但這位營長和全營的大部分官兵犧牲了，僅剩數十人幸存。但不知現在這個山頭上，是否聳立了這些烈士們所希望的紀念碑！
10月26日，日軍左翼突擊隊4個營，經測魚鎮突破了中國守軍第3軍的防線，繞到娘子關側後，等於是在6萬中國守軍背上插上了一刀。娘子關戰場的突然變化，使閻錫山心急如焚，立即打電話給忻口前線的衛立煌：“東麵守不住啦！你看怎麼辦？”
衛立煌略一思考，說：“守不住東麵，一定要守住忻口與太原之間的通道。這兩片聯係起來，棋才能活。”
娘子關被日軍攻破，閻錫山隻得命令娘子關地域的中國軍隊全線撤退。
孫連仲率部撤退到陽泉，命令馮安邦指揮第27師，迅速在陽泉組織防禦。連日激戰，部隊傷亡很大。馮安邦是孫連仲的連襟，孫平時對部隊要求嚴格，對馮也不例外。他對馮說：“沒有命令你們決不能後撤，不然，要把你槍斃！”