忻口是一個較大的村落，位於忻縣城北二十五公里處，同蒲鐵路貫通南北。村西北部為紅土梁，梁北的雲中河流經忻口北的界河鋪後匯入滹沱河。滹沱河在此由南經靈山腳下折向東北。這樣，忻口村被夾在紅土梁與靈山之間，成為南北之間的天然屏障，易守難攻。
忻口西南側有一西南、東北向的山溝，名“紅溝”。此溝的內兩側有預先構築的國防陣地窯洞三十多孔，這次忻口防禦戰的中央兵團指揮部就設在這裡。
截至三月十六日，第二戰區忻口前線部隊已基本進入指定位置，佔領了陣地。
第二戰區作出進一步的調整部署：將中央軍擔任的二十五至三十公裡的正面防線再劃分為三個作戰地區，將中央軍區分為三個兵團，分別防守三個作戰地區。這其中，右翼陣地指揮官劉茂恩，下轄第五軍、第九十七軍和新十七軍，負責東起龍王堂，西到界河鋪的防務，其間的南郭下、東西榮華、東西南賈為其主要作戰區域；中央陣地總指揮郝夢齡，副總指揮陳長捷，下轄第九軍、第六十一軍和六十八軍，負責東起界河鋪，西至新練莊地區的防務，其中下王莊、弓家莊、舊河北等村與雲中河南的界河鋪、關子(官莊)、南懷化(河南)為其主要作戰區域；左翼陣地指揮官李默庵，下轄第十四軍、第十軍，負責東自新練莊，西至茹莊、南峪地區的防務，其中大白水、朦騰、茹莊、南峪等村為主要作戰地域。
忻口地區總預備隊司令長官為傅作義，下轄第三十二軍、第五十三軍及陸續趕至忻口集結的本部第三十五軍、王靖國第十九軍、劉建緒第六十七軍王陵基第七十八軍。應該說這樣的兵力配置，方方面面利益皆兼顧，日軍要突破這樣的鐵桶陣，非得花一番心血不可，更何況還有魯逸軒的第三十集團軍在一旁虎視眈眈，捕捉戰機。
十七日傍晚，原平失守，負責掩護陳長捷集團軍後撤的姜玉貞旅被日軍團團包圍，苦戰一夜，全旅無一人投降，姜玉貞旅長英勇殉國，最後全旅六千餘人只剩下五百多突圍。有感於姜玉貞旅的忠義，國民政府軍事委員會授予姜玉貞旅“榮譽旅”稱號，永遠保留建制。
日軍攻佔原平以後，立即派出一個獨立混成旅團，對忻口守軍防線進行全面攻擊，實施戰役偵察。
十八日晨八時許，日軍在四十餘架飛機、近百輛坦克和猛烈炮火的掩護下，集中兵力，向中央兵團南懷化陣地發起猛攻，企圖從中間突破，一舉攻下忻口守軍主陣地。激戰至十時許，南懷化沿雲中河陣地被日軍火力摧毀，守軍傷亡殆盡。由於援軍未能及時趕到，日軍乘機渡河，突破南懷化陣地，並繼續向縱深發展，攻佔了1300高地。
郝夢齡以第二十一師的第一二五團、第一二四團堵截反擊，經奮戰後，於中午一點左右奪回1300高地，將日軍壓迫於雲中河南岸。此時，左翼兵團閻莊陣地亦有一個旅團的日軍突入，但第十軍堅強反擊，將日軍擊退。衛立煌與傅作義判斷：當面之敵在猛攻受挫後損失慘重，勢必整頓態勢，並求得增援後方可再行攻擊。
為乘機轉移攻勢、殲滅當面日軍，衛立煌致電閻錫山，請準以預備軍一部從中央地區出擊。閻錫山為使主力部隊作戰容易，又令左、右兩翼軍積極向敵後活動，破壞並阻止日軍增援；同時，將配屬左翼軍的獨立第8旅孟憲吉部與第71師郭宗汾部轉隸中央軍。
十九日夜，總預備軍參加反擊之第十九軍、第三十二軍、第三十五軍、第五十三軍、第六十七軍、第七十八軍等部，均進入待戰狀態。各兵團的反擊部隊亦已準備完畢。二十日凌晨二時許，忻口守軍開始全線出擊。
主要反擊方向的中央兵團方面，我六個軍將士如出閘的猛虎，向南懷化日軍反擊。戰鬥開始後，日軍援軍迅速投入戰鬥，亦實施攻擊。雙方爭奪極為激烈。董其武旅擊退日軍連續四次衝擊，旅長董其武負傷不下火線，堅持指揮戰鬥；第二十一師師長李仙洲、新四旅旅長於鎮河亦在戰鬥中負傷。
左翼兵團方面，第十師向閻莊以東之舊練莊日軍反擊，第85師、第196師向衛家莊、麻港日軍反擊。戰鬥開始後，第十師於拂曉攻佔練莊；與此同時，衛家莊日軍亦攻入該師大白水左翼陣地。李默庵當即抽調第196師1個團援堵。第85師及第196師主力繼續向衛莊、麻港攻擊。
右翼兵團方面，當第十五軍抽調部隊準備向桃園村日軍反擊之際，日軍一個旅團亦由南郭下渡過滹沱河向靈山陣地進攻。守軍頑強抗擊。激戰至夜，日軍被壓迫於滹沱河南岸至靈山腳下一線。
至二十日上午，數十萬軍隊絞殺於東西寬度三十公裡、南北縱深二十餘公里的忻口左中右三線陣地，每一個陣地都要經過反覆的爭奪，血流成河，戰況極為慘烈。
中午十一點，忻口上空，鋪天蓋地的戰機群，突然從南方和東南方的天空出現，中日雙方殺紅了眼的軍官和士兵，略一抬頭打量，便又投入到眼前的廝殺中。
如今的西南空軍，飛行大隊已經擴編為擁有六個戰鬥機中隊、六個轟炸機中隊和三個運輸機中隊及一個偵察機中隊的大單位。此次安家軍一口氣在山西投入了三個大隊，分批次對忻口一線的日軍進行全面打擊。
依舊是老的攻擊樣式，先是S3高空偵察機打頭陣，監控遠近五十公裡的戰場空域，隨後便是護航的三個中隊的A26戰鬥機和三個中隊的A27戰鬥機，最後就是執行轟炸任務的主角——B1、B2轟炸機中隊。
幾乎是一瞬間，太陽的光線便被密密麻麻的飛機給遮擋住了，地面投下巨大的陰影。
在對地攻擊中，三個中隊仿製於德國斯圖卡JU87俯衝轟炸機的B2轟炸機優越性能展現無遺。
這種轟炸機有著海鷗一般微微上揚的歪翅膀，後面的尾翼呈方塊形，肥胖的起落架讓人一看就感覺極其刺眼，此外讓人難以忍受的是該種機型的玻璃坐艙竟然高出機體許多，活象一個駝背的老人，整個飛機就如同一個銀色的烏鴉一般，極其醜陋。
但是，就是這種醜陋的飛機，在有經驗的飛行員手中，以九十度角垂直轟炸時誤差不會超過二十五米，對地支援的效果無與倫比。
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因此，當三個中隊的斯圖卡開始對地面的日軍進行精確轟炸時，日軍就倒了大黴，坦克部隊、炮兵陣地、機槍陣地、被懷疑是日軍指揮部的地下掩體、騎兵部隊優先遭遇轟炸，一枚枚五十公斤、一百公斤、兩百公斤甚至五百公斤的炸彈，如雨點一般在日軍的頭頂上落下，炸得日軍鬼哭狼嚎。
而全木製的B1轟炸機，載彈量驚人，雖然不能進行俯衝轟炸，但在不太需要精確性的轟炸中，作用卻無可替代。因此，B1轟炸機深入敵後，對日軍位於作戰區域後方原平縣城內外的兵營、火車站、軍火倉庫等戰略要點，進行了無情的轟炸，整個原平縣城，到處都是閃亮的火光和爆炸騰起的硝煙，地面上的日軍慌亂躲避，死傷無數。
在空軍部隊突擊的同時，隱藏於整個戰場西部山谷中的魯逸軒，已經將四個師的裝甲及坦克部隊集中起來，列陣於晉中平原之上。
為了加強魯逸軒部的實力，每個步兵師均配屬了一個直屬坦克營，下轄一個輕型坦克連（十一輛J1狼式輕型坦克）和兩個中型坦克連（22輛J2豹式中型坦克），集中四個師，那就是一百三十二輛坦克，在中日戰場上，這已經算得上是一股強大的鋼鐵洪流了。
進攻正式發起前，四個步兵師的炮團在S3高空偵察機的指引下，開始對日軍的防禦陣地，進行集中轟炸。
四十八門150mm榴彈炮、九十六門120mm榴彈炮發出巨大的聲響，日軍瞬間就被前所未有的強烈炮擊給打懵了。
五分鐘後，炮聲停止，四個坦克營即以勢不可擋之勢，由茹莊村向東，沿三泉村、小河村、桃源村，一路向西突擊，一直殺到滹沱河邊，把日軍分割成互不相連的南北兩個部分。
坦克部隊後面，是四個具有強大打擊火力的機械化自走防空跑車連，每個連均裝備有二十四部防空炮車，這種防空炮車其實就是大豹子越野車的底盤加裝敞篷車座和拖斗，配備一挺12.7mm口徑高平兩用機槍，可以在高速行進中打擊視野所及之敵人，算是步兵部隊能夠拿得出手的機械化突擊力量。
武裝到牙齒的安家軍步兵部隊，如同出閘的猛虎，沿著坦克部隊打通的戰略通道，迅速進入，佈置戰線。
在李君統率的第一七〇師二萬六千將士牢牢地堵住日軍南進或者是北退的道路後，戰車部隊再次轉向，殺向忻口會戰日軍的後方中樞原平縣城，爭取一口氣端掉日軍的老窩。
新五師、新六師，緊緊地跟隨坦克部隊進行突擊，而第十七師則開始配合友軍，殲滅包圍圈內的日軍，忻口會戰進入了白熱化階段。