平型关位于山西省繁峙县东北，为内长城居中要塞，晋北交通要冲。平型关东北关沟至东河南村长约13公里，沟深道狭，公路两侧均为山地，便于隐蔽兵力，地势险要，是打伏击战的理想场所。红军改编后，八路军第一一五师于9月份向晋东北地区挺进，9月14日到达大营镇，9月19日，抵上寨、下关地区集结。9月23日，日军板垣师团第二十一旅团一部及大批辎重车辆，由灵丘向平型关进犯。当天，朱德、彭德怀电令第一一五师师长，立即向平型关、灵丘间出动，机动侧击向平型关进犯之敌。第一一五师师长林彪、副师长聂荣臻接获八路军总部命令后，于24日夜冒着大雨，进入平型关地区，并决定在平型关东北关沟至东河南村一带狭窄谷道两侧居高临下有利地形设伏。具体部署是：以第三四三旅第六八五团隐蔽于白崖台以西一带，消灭关沟至老爷庙日军；第六八六团埋伏于右侧地区，消灭老爷庙至蔡家峪一线日军；以第三四四旅第六八七团在蔡家峪至韩家湾一带担任阻援任务；以第六八八团作为师预备队。与此同时，八路军第一一五师还与第二战区平型关战役指挥官傅作义商定，双方于25日拂晓对日军展开反击行动。
在第二战区友军的打击下，板垣师团第二十一旅团在平型关经两昼夜苦战，天雨骤降，缺衣缺粮，旅团长三浦敏事下令乘天雨之际，于25日拂晓发动夜袭，企图突破内长城一线。25日拂晓，第二十一旅团第二十一联队第三大队和旅团辎重部队，由百余辆汽车开始，带着200余辆辎重马车，沿灵丘至平型关公路由西向东开进。7时许，日军全部进入我伏击区域，第一一五师全线突然开火，并乘敌混乱之际，冲到公路上与日军展开白刃肉搏战，又迅即占领老爷庙制高点，居高临下，猛击日军。经多次反复冲击，将日军截为数段，压缩在一条长约五六里的狭谷中，使之陷入四面包围态势。板垣征四郎得悉其补给部队在平型关遇伏后，急令在蔚县、涞源的部队增援，被八路军阻援部队阻击于灵丘以北、以东地区。被围日军待援无望，便于当日下午1时许，在6架飞机掩护下，猛攻老爷庙及其附近高地，企图向北突围，但均被八路军击溃。下午3时许，八路军发起最后冲锋，至黄昏，除一部日军突围逃走外，大部被歼，战役结束。
平型关战役共歼灭日军1000余人，缴获步枪1000余支、机枪20余挺、火炮1门，击毁汽车100余辆、马车200余辆，并缴获大批军用物资，俘获日军士兵1人。平型关战役是中国全面抗战以来的首次大捷，打破了日军不可战胜的神话，鼓舞了中国军民的斗志。八路军虽伤亡600余人，但使日军第五师团未能按原计划参加保定会战。
忻口战役
军第五师团在平型关作战失利后，日军向山西进攻作战暂时受阻。为改变这一态势，日本华北方面军决定第五师团沿同蒲线向南推进，第二十师团沿正太线向太原推进，南北夹击太原；又以关东军察哈尔兵团从大同出发，配合第五师团作战。1937年10月初，日军突破中国战区作为山西省的第一道防御阵地内长城防线，迫使中国军队退守第二道防线忻口。
忻口是太原北面的屏障，地势险要，忻口的得失，直接关系到太原的安危。为保卫太原，第二战区司令长官阎锡山决定在五台山至宁武一线依托有利地形和既设阵地，组织忻口防御作战。具体部署是：将第十四集团军总司令卫立煌所属部队由石家庄驰往太原以北增援，于忻口附近与第二战区各部会合，并以卫立煌任前敌总司令；以刘茂恩指挥的第三十三、第十五、第十七三个军为右翼兵团；以王靖国指挥的第九、第三十五、第六十一三个军为中央兵团；以李默庵指挥的第十四、第八十五、第六十六、第七十一四个师为左翼兵团；另以朱德、彭德怀指挥的第十八集团军于两翼侧击。全军配置于以忻口为中心的两侧山地，主阵地为忻口以北的龙王堂、南怀化、大白水、南峪一线。
13日，日军第五师团及关东军一部约5万余人，在板垣征四郎师团长指挥下，采取中央突破战法，集中飞机、重炮、战车，掩护步兵猛攻忻口西北侧南怀化高地。与此同时，日军一部由井陉北正面向娘子关进攻，另一部则进攻娘子关侧后。针对日军的进攻，卫立煌亲至忻口督战，以第六十一军军长陈长捷率部负责防阻南怀化日军，郝梦龄率第九军担任忻口正面守备。中国军队在顶住日军进攻后，于10月14日在南怀化战场转入攻势作战，傅作义军歼敌2000余人；李默庵军攻占原平一些阵地，与日军形成对峙状态；刘茂恩军则未顶住日军进攻，阵地失而复得。在这次反击作战中，双方损失惨重，战况空前激烈，中国第九军军长郝梦龄、第五十四师师长刘家骐、独立第五旅旅长郑廷珍均壮烈殉国。在娘子关战场，中国军队也发起总攻，肃清关沟残余日军，并将大小龙窝日军联系切断，但未能收复王家岭高地及旧关。日军遭我打击后，于10月17日大举反攻：忻口方面日军分三路猛攻我军，娘子关、旧关附近日军也大举反攻。中国军队顽强抵抗，至10月下旬，双方呈胶着状态。
忻口战役打响后，10月中旬，日军开始正太线作战，主攻目标是娘子关。10月21日，日本华北方面军以第二十师团全部及第一○九师团一部增援娘子关一线，以步、炮、空联合向中国守军全线进攻。日军从南北两路发动进攻：从北路进攻的日军右翼在娘子关、旧关一带遭到中国军队的顽强抵抗，进展不大；从南路进攻的日军左翼则绕过中国军队的防线，从南面迂回，相继攻占娘子关附近重地，从背后威胁娘子关。在中国军队腹背受敌的情况下，阎锡山被迫令娘子关守军留少量部队掩护，主力撤出战场，10月26日，娘子关失陷。天险娘子关是太原东部门户，能否坚守，对太原安危极大。娘子关失守，战局急转直下。
娘子关失守后，日军对忻口地区加紧了攻势作战。日军在中央阵地采用坑道战法，逐渐逼近、突破中国军队阵地；左、右两翼日军则进行策应作战。中国军队在予敌以重创后，由于战场主动权已失，陷于被动局面。在这种情况下，阎锡山电令卫立煌率忻口守军于11月2日撤出阵地，转而加强太原防御。
军在占领娘子关和忻口后，凭借现代化装备，快速推进。10月30日，日军占领平定和阳泉；11月4日，占领寿阳，直逼太原。为保卫太原，阎锡山令卫立煌以中央兵团、左翼兵团、右翼兵团布防于太原周围，进行防御。11月6日，日军向太原城郊进攻。日军第五师团主力附伪蒙骑兵及坦克、装甲车100余辆，从东、北、西三面猛攻。11月7日，晋东日军川岸师团先头部队与城东日军会合。这样，太原陷入日军包围之中。日军依靠飞机、坦克、大炮，向太原城内猛烈轰击；日军步兵则逐渐突破中国军队防线，突人太原城内。11月8日，中日军队在太原城内进行激烈巷战。守城的傅作义部队抵挡不住日军的进攻，被迫率部突围。11月8日，太原失陷，忻口会战以中国军队的失利而告结束。
在忻口会战中，八路军第一一五师、第一二。师、第一二九师进行了配合作战。第一一五师第六八八团于10月18日袭击雁门关日军汽车队，克复繁峙；该师独立团在广灵冯家沟设伏，击毙日军100余人，收复广灵、蔚县、易县、浑源、阳原、曲阳等县。第一○师从10月15日开始配合作战，先后攻占宁武、阳方口、平鲁、井坪等城镇，几度占领雁门关，切断了日军通往大同的运输线，给南下进攻忻口的日军后方运输造成了极大困难。第一二九师第七六九团第三营于10月19日突袭崞县北阳明堡日军机场，炸毁日军飞机24架，毙伤日军180余名，有力地打击了日军的空中力量，并迫使日军加强后方防务。
忻口会战是抗战初期中日军队在华北战场进行的规模最大的一次战役，战况非常惨烈。中国军队以重大伤亡的代价，打击了日军。中国军队之所以失利，除了日军掌有步空炮骑联合作战的优势外，国民党军队单纯固守正面也是一大败因。伴随着太原失陷，在华北，以国民党为主体的正规战争已经结束，以共产党为主体的游击战争占据主要地位。
中国揭露日军侵华真相
军发动全面侵华战争后，美英等西方大国都不愿开罪日本，他们相互推诿，英国极力怂恿美国出面与日本对抗，美国则力求与英国采取平行行动，结果是无人敢触动日本。而中国政府却幻想依靠国际组织，揭露日军侵华真相，以争取国际组织对日本的制裁。
7月16日，中国国民政府向九国公约签字国的美、英、法、意、比、荷、葡、德提交了备忘录，提请签约国注意，日本以大量军力突袭卢沟桥，侵犯华北，显然侵犯了中国主权，违反了《九国公约》、《巴黎公约》、《国联盟约》的文字与精神，并表示愿意随时以国际公约或条约上任何和平方法与日本解决争议。8月30日，中国驻瑞士公使胡世泽代表中国政府向国际联盟提出声明书。该声明书历数日本无视中国政府要求和平解决卢沟桥事件，不断向中国政府提出无理要求，蔑视中国主权，大举侵犯中国华北、东北、华南乃至中国首都南京的侵略行径，重申日本违反了国际公约。声明书提出4点声明：（1）日本武装势力已侵略中国领土，而其陆海空军在中国北部中部防地大肆袭击，犹在进行之中；（2）中国已用尽一切办法阻遏暴力而无效，现已采用武力行动，实行天赋自卫之权，此乃中国不得已而为之；（3）日本现在中国之行动，实系继续其在1931年9月18日在东三省开始的侵略计划；（4）日本扰乱东亚和平实已违背国际盟约之基本原则。9月7日，中国政府向国联提出补充声明书，列举了5项重要事实：（1）日军在上海集结兵力，拒绝第三国关于双方撤兵的建议，继续扩大上海战事；占领北平附近各城和张家口，建立伪察南自治政府；平汉、津浦两路北段仍有战事；在华南扩展其空军活动。（2）日本宣告封锁中国海岸。（3）日方飞机轰炸中国红十字会。（4）恣意攻击非战斗人员。（5）恣意摧残中国文化教育机关。
9月12日，中国国联首席代表顾维钧代表中国政府，向国联秘书长提交申诉书。申诉书指出，日本全力侵犯中国并继续侵犯中国的事实，是对中国领土完整和政治独立的侵犯行动，由于中国是国联会员国，因此日本的侵略行径显然构成依照国联会章第10条处理的案件；日本的侵略行径所造成的严重情势亦在同一会章的第11条范围内，因此属于与国联有关的事件。顾维钧代表中国政府要求国联根据盟约第10条、第11条、第17条，就日本全面侵华，采取必要的制裁行动，或先将这个问题提交远东咨询委员会处理。当天，中国出席国联大会代表顾维钧、郭泰祺、钱泰发表共同宣言，指出日本所奉行的政策，在于征服中国，独霸东亚乃至控制太平洋。
9月13日，国联第18届大会开幕，共有44国代表出席。15日，顾维钧在会上发表演说，陈述中日事件冲突的经过，要求国联有所行动，在道义上谴责日本，要求将中日冲突提交1933年国联所设的远东咨询委员会处理。16日，国联理事会决定将中日问题提交远东咨询委员会处理。21日，该会举行第一次会议，决定邀请中国、日本、澳大利亚、德国共同商议，但遭到德、日两国的拒绝。27日，远东咨询委员会召开公开会议，通过谴责日本侵略决议，并向国联提出两份报告：第一份报告指出，日本的行为违反了1922年华盛顿九国公约和1928年巴黎非战公约；第二份报告否定了日本提出的中日问题由中日两国解决，不让第三国干涉的主张，提议国联明确表示对中国给予道义上的支持，每个国家扩大对中国的援助。29日，中国代表在远东咨询委员会会议上，强烈要求会议确认日本的行为是侵略行为。中国代表的正义呼声，得到苏联代表的支持，但英国等国虽承认日本侵略的事实，却不愿使用侵略一词。10月2日，远东咨询委员会举行非公开会议，英国等国不愿直接指明日本侵华。此后，美国总统罗斯福在芝加哥发表演说，指斥日本侵华，从而给国联大会以影响。10月6日，国联大会通过了远东咨询委员会的两个报告，决定让九国公约缔约国及在远东有特殊利益的国家，开会研究日本侵华战争的办法，会址定于比利时首都布鲁塞尔。当天，会议结束。