10月上旬的后几日，八路军英勇挺进敌后，不断出击；中央军卫立煌部源源开赴忻口布防；华北战场上相持最久、规模最大的一次战役，随即在忻口以北展开。
10月12日，日军第5师团、关东军察哈尔兵团等部共3万余人，在坂垣的指挥下猛攻忻口。卫立煌指挥8万中央军和晋绥军，在50余里宽的阵地上固守抗击。日军凭借飞机、重炮、坦克优势轰击，中国守军主要靠近战肉搏，与敌人反复争夺阵地，战况激烈，伤亡惨重。
敌人攻势虽猛，但深入雁门关南，弹药、汽油以至军队所需之粮食、菜蔬，都要靠汽车、牛车、马车从大同、张家口远道运来。后方交通线遂成为前线军队的生命线。八路军抓住敌人这一致命弱点，把扰乱敌之远近后方和破坏其交通线，作为配合友军作战的主要任务。
当日军在忻口正面遭到我方守军抗击之际，八路军115师把从代县经平型关、灵丘至张家口的敌后东路交通要道完全破坏，收复灵丘、广灵等数座县城，一度攻占平型关等长城要隘；并以一部深入河北，收复冀西唐县等数县，直逼保定。120师卡断了日军从代县到大同的西路交通，两度攻占雁门关，收复雁北宁武等数县，使忻口之敌陷于孤立无援，前后被包围的困境。10月17日国民党军骑兵第2军军长何柱国在给蒋介石的密电中报告：“我林(彪)师在广灵、灵丘、平型关、沙河镇等处将敌背后截断，宁武、朔县、岱岳及其以北地区，贺(龙)师之宋支队及职军屡次迂回截击，敌已大感恐慌。”10月24日，卫立煌在给蒋介石之密电中称：“敌自雁门关被截断，粮秣极感困难……”敌华北派遣军司令官寺内寿一不得不坐飞机到忻口，为其下属打气。
忻口会战中，敌人最为肆虐的是飞机，敌欺我方无空军应战，任意俯冲投弹、低飞扫射我方阵地，将士对之莫不咬牙切齿。10月8日，彭德怀赴忻口，陪同周恩来与卫立煌商谈忻口布防及八路军配合问题。卫立煌心情焦灼地谈到，敌机每日清晨即来我方阵地侦察，继即以数十架飞机轮番轰炸，对阵地威胁最大，一天几乎要损失一个团的兵力。
当夜，彭德怀返回总部。翌晨，天色微明，彭德怀就到院子里，仔细谛听在重峦叠嶂中隐隐回响的敌机声。院子里战士狠狠地骂着，彭德怀眉头一皱，问身旁的作战参谋：“机场在什么地方?狗娘养的这么早就到了!”参谋答：“是从北平起飞的吧?”“不像!”彭德怀仔细搜索着飞机的影子：“按航速，从北平来，除非是半夜起飞，轰炸机也不能立马就至。鬼子必在忻口附近有着落场，二科马上侦察!”
12日，朱、彭报告蒋介石、阎锡山等：“代县已有敌机着落场，因我袭敌人后方交通，故连日敌人依靠飞机运输粮弹。”
其实，在代县西南的阳明堡，原即有阎锡山所筑机场。几天前落于敌手，还丢下了2000箱汽油，增长了敌机的凶焰。卫立煌不是不知道敌机从哪里飞来，而是无可奈何。
“打不下飞机打机窝!”八路军总部立即命令刚开入晋北的129师之769团进入代县，实地侦察，相机袭击敌机场。19日，769团(陈锡联)的赵宗德营夜袭阳明堡机场，一举烧毁敌机24架，取得平型关之捷以来又一次振奋人心的胜利。忻口上空一度敌机息影，“我军士气大振，各部均现欢容”。消息传至友军营连，“官兵闻讯，高兴欢呼‘中华民族万岁！”阎锡山、卫立煌开始尚不敢相信八路军果能创造这等战绩，派出飞机到阳明堡上空侦察证实，报告南京政府，南京方面方才发出电讯，并通电嘉奖。