忻口位於太原以北，居忻縣、崞縣、定襄三縣之交，東托五台山，西倚雲中山，滹沱河從兩山穿流而過，同蒲鐵路和一條公路沿河岸縱貫南北，自古以來為戰略要地。
10月3日，第5師團由大營鎮向代縣附近集結。4日，關東軍察哈爾派遣兵團的主力列入該師。10月7日，萱島支隊（以中國駐屯軍步兵第2團為基幹編成）到達大同，也配屬於第5師團。板垣遂決定合力進攻忻口。
內長城防線被日軍突破，太原形勢危急。國民政府軍事委員會為挽回危局，遂決定轉用平漢線兵力，鞏固山西防禦。10月1日，急令第14集團軍總司令衛立煌率第9、第14軍及第85師、獨立第5旅等部共四個半師的兵力，由石家莊經正太路轉赴晉北增援。並令第2戰區以有力一部固守崞縣、原平，掩護集中。
第2戰區司令長官閻錫山為了扭轉晉北作戰的敗局，決定縮短戰線，將兵力集中於寧武、代縣、原平一帶，利用忻口要隘與敵決戰。同時，閻錫山召集有關人員對當麵敵情進行分析，判斷日軍將以主力由大營、繁峙，以一部由大同、雁門關沿汽車路進攻，另以一部由陽方口附近實行鉗製攻擊。據此，第2戰區確定忻口作戰的方針是：以攻勢防禦之目的，以主力占領原平、陽方口地區既設陣地線，兩翼依托五台及寧武各山脈。將部隊編為右、中、左及預備等4個集團軍：以第18集團軍（八路軍）及第73、第101、新編第2師為右集團軍，歸第18集團軍（八路軍）總司令朱德指揮，在五台山至峨口之線占領陣地；以第14集團軍，第9、第15、第17、第19軍等部為中央集團軍，歸第14集團軍總司令衛立煌指揮，在蔡家崗、南懷化、大白水一線占領陣地；以第68、第71、第120師及獨立第7旅等部為左集團軍，歸第6集團軍總司令楊愛源指揮，在黑峪至陽方口之線占領陣地；以第34、第35、第61軍及第66師等部為總預備軍，歸第7集團軍總司令傅作義指揮，配置於定襄、忻縣地區。決心以主陣地之部隊竭力阻止日軍前進，以第18集團軍（八路軍）第115、第120師分由平型關及雁門關施行包抄，截斷日軍後方聯絡線，包圍敵人於原平以北山地而殲滅之。
與此同時，閻錫山命令第19軍固守崞縣，第34軍之第196旅固守原平，獨立第7旅固守軒崗，阻敵南下，以掩護主力在忻縣附近之集中。俟各路部隊集中完畢後即開始向當麵之敵攻擊。
對於保衛山西的作戰，中共中央和八路軍極為關注。周恩來一直同閻錫山保持著頻繁的接觸，多次參與一些重要作戰計劃的研究，以協調共同作戰。針對閻錫山把作戰地區劃分為左、中、右三個地區，以主力用在正麵防禦的作戰計劃，周恩來指出：“在中地區，應以小部隊鉗製當麵之敵，而以主力把敵誘到代縣、忻口一線，求得側麵出擊，加以消滅！右地區的部隊要進行廣泛的遊擊，以牽製敵軍；左地區兵力較弱，可向寧武南北遊擊，破壞和阻止敵軍的前進計劃。”他還提議，立即組織、武裝正太、同蒲鐵路員工和井陘、陽泉礦工，配合保衛山西。
為了爭取忻口和太原作戰的勝利，毛澤東於10月6日致電參加太原軍事會議的周恩來，讓他轉告國民黨軍事當局：敵占石家莊後，將向西麵進攻，故龍泉關（九龍關）、娘子關兩點須集結重兵，實行堅守，以使主力在太原以北取得勝利。毛澤東判斷：進入山西之敵，總數不過兩個半師，為確保晉北占領區，又須分兵守備。因此，到達忻口一帶作戰者不過一個師左右。如果我方部署適當，是有可能暫時破壞敵之攻擊計劃的。並指出此戰役關鍵在於下列三點：（一）娘子關、龍泉關之堅守；（二）正麵忻口地區之守備與出擊（出擊是主要的）；（三）敵後方之破壞。
為達上述目的，毛澤東提議：國民政府軍事委員會應速派主力軍三四個師至娘子關；第14集團軍的4個師擔任正麵出擊兵團之主力，晉軍以兩個師協同出擊，其餘擔任守備；八路軍第115、第120師主力擔任從東西兩方破壞敵之側後縱深地區，襲擊忻口至大同、大同至張家口之鐵路及代縣、廣靈至張家口之公路交通線。八路軍第129師主力或全部則使用於正太路，發動群眾配合娘子關守軍，鞏固後路。
朱德、彭德懷根據毛澤東的指示，於10月6日、7日，令第115師協同友軍向平型關、大營鎮之敵進攻，相機襲取渾源、應縣，斷絕茹越口、繁峙之間交通；令第120師以主力向岱嶽鎮（今山陰縣）以西山地出動，斷絕大同與雁門關之間交通，以第358旅主力配合友軍夾擊寧武以南之敵；令第129師主力進到正太鐵路之壽陽、平定地區，積極鉗製與打擊西進之敵。