阎锡山闻讯大为震惊，提出悬赏万元夺回高地。第251旅之第501团，组织奋勇队，冒着敌人的炮火夺回高地，战局才转危为安。
与此同时，日军2000余人进攻东跑池西北高地，因第73师尚未全部到达指定位置，高地仅有独立第8旅2个连，经奋力苦战一夜，终因后援不继而全部牺牲。日军继续深入，第73师、第84师等部相继赶到，与日军交火。激战至24日午后，我方始将敌击退，收复东、西跑池及附近高地。
为了确保平型关，9月23日，阎锡山调整部署：命令傅作义率领预备军增援平型关，与杨爱源联合指挥作战；新编第2师赴西河口地区待命；第71师于当晚向大营东北地区前进；第72师即向砂河集结待命。
同时，阎锡山电告朱德：22日夜日军忽然奇袭平型关阵地，发生激烈战斗，要求八路军配合作战。朱德接电后，同彭德怀立即电令：“一一五师应即向平型关、灵丘间出动，机动侧击向平型关进攻之敌，但须控制一部于灵丘以南，保障自己之右侧”。并且回电阎锡山，报告进攻准备情况。
日军正面进攻相持不下之际，粟饭旅团于9月21日从浑源出发，次日晨到达羊投崖，向南进攻，遇到守军抵抗，战斗没有进展。23日，被迫从该地撤出，转进到棚子沟方面，企图由龙嘴村、大坪村直捣大营，断我平型关守军退路。但在龙嘴村一带遭到第15军的阻击，激战两日，仍未突破我防线。后因平型关正面战事陷于胶着，该敌乃奉命增援正面作战。
9月24日，傅作义率预备军两个旅到达平型关。日军亦增兵5000人，分别向东西跑池、高地、团城口及讲堂村各处猛攻，炮击甚烈。激战终日，终因我军伤亡过重，高地及东、西跑池再度陷于敌手。
同日，傅作义、杨爱源与八路军第115师联络参谋共同商讨，决定次日（25日）拂晓，以第71师和第115师合击团城口之敌。具体攻击计划如下：
一、正面以第71师附新编第2师为主攻部队，第84师仍固守原阵地。
二、第71师4个步兵团，按次记要领部署攻击。
（一）以1个团由团城口于高地间，沿山麓向东攻击，再向南旋迥，以蔡家峪、小寨为攻击目标。
（二）以两个团由高地至西河口之间向东攻击，并掩护团城口正面攻击部队之侧背，截断向浑源撤退之道路，以王庄堡为攻击目标。
（三）以1个团为预备队，由团城口附近前进。
三、独立第8旅以一部协同第71师之攻击，以辛庄（在东跑池东北约2公里）为攻击目标。 。。
一、整军抗战（22）
四、第115师担任敌后攻击，以东河南、蔡家峪为攻击目标。
各出击部队遂按计划准备向敌反击。9月24日夜，八路军第115师冒着倾盆大雨，设伏于平型关东北老爷庙至小寨村公路附近高地。25日晨，敌第21旅团第21联队之第3大队，携带大批辎重车辆，沿着公路西进。7时许，敌全部进入我伏击圈，八路军采用拦头断尾、中间突击、分割歼敌的战术，居高临下，突然向敌发起猛烈的攻击，与混乱的日军短兵相接，展开白刃格斗，血战至中午13时许，取得了伏击战的伟大胜利。
为了扩大战果，八路军又发扬连续作战的精神，第343旅主力向平型关正面东跑池一线之敌进击，于黄昏时，攻占了东跑池东北1900高地，将敌压缩包围于该地。但由于晋绥军未按预定计划出击，致使粟饭部约2个营向西北团城口突围逃窜，失去了消灭更多敌人的机会。
是役，第115师歼敌近1000人，击毁汽车100余辆、马车200余辆，缴获步枪1000余支、机枪20余挺、野炮1门，以及大量军用物资。我军亦伤亡1000余人。 平型关战斗，是华北战场上中国军队主动寻歼敌人而又首次取得胜利的战斗。
平型关战斗，由于八路军英勇杀敌，创造抗战首胜的光荣战绩，也为阎锡山筹划的整个平型关战役争了光。阎为此感到很欣慰。
此时，阎锡山彻底放弃了原来把敌人放进关内，进行“砂河会战”的计划，而欲与敌在平型关外决一雌雄。本来，战斗开始不久，阎锡山就听信孙楚等人的建议，对原定作战计划有所动摇，令平型关、团城口一线所部固守，相机出击。而现在阎又为八路军平型关大捷所鼓舞，加之雁北方面的敌情无多大变化，又觉得平型关外的局势大有可为。于是他一面命令郭宗汾第71师坚守涧头、迷回阵地；一面令在代县的陈长捷第61军火速驰援平型关。
但是，战事的发展，又出现了新的变化。正值傅作义指挥部队向敌反击时，敌主力又转向团城口方面猛攻。团城口位于平型关北5里处，为平型关隘前的制高点，也是晋北主阵地之要点，一旦被敌突破，则雁门关感受威胁。但是，守军高桂滋第17军竟不顾大局，在敌重压之下退出团城口阵地，致使东、西跑池以北的鹞子涧、六郎城一带险要阵地相继为日军所占领。阎锡山得悉后，非常气愤，但又无可奈何，因为守军是蒋介石派来的中央军。事后，阎同其将领回忆起此事还愤慨地说：“高桂滋放弃团城口，比刘汝明放弃张家口，更为可杀！”
团城口丢失，第71师及独立第8旅不得不占领迷回村、黄圪底窳一带，构筑阵地，先对敌进行阻击，激战至中午，将日军右翼击溃，夺回数个山头，稳住了阵脚。陈长捷又率第72师及时赶到，随即乘胜反攻，由公路两侧出击，夺回鹞子涧一带高地，将日军包围于东、西跑池之深沟内。这样就“将出击的作战变为争夺山头”之战。
同时，阎锡山鉴于杨爱源、孙楚对客军没有笼络统御能力，特命傅作义前往大营，全权指挥平型关方面作战。并且设想俟陈长捷部到达平型关后，仍调度高桂滋、刘茂恩两军，协同反攻团城口，然后，再联合八路军，歼灭板垣师团于平型关、东河南间。
为此，9月26日晚，阎锡山给各集团军下达命令如下：
（一）〈庾〉关（即平型关——引者注）正面之敌，连日与我激战，已被我击溃。宥（26日）日，敌由浑源、灵丘增援甚众，煌捃部约2000余，炮20余门，向我［茹］越口一带进攻，敌似有进入关内之企图。txt电子书分享平台
一、整军抗战（23）
（二）我决集中兵力，迅速抗拒各个正来犯之敌。
（三）六集团军应联合十八集团军及总预备军，迅速击破进攻平型关之敌，七集团之杨爱源军，应竭力抗拒在［茹］越口一带之敌，其余各军固守阵地，以待我主力转移反攻该敌。
（四）各集团军应本以上要旨，妥筹部署，即行开始动作。
就在阎锡山调整部署的同时，板垣急调第42联队主力，由蔚县增援平型关。26日，该敌加入团城口、鹞子涧、六郎城一带的战斗，并集中兵力向迷回村方面猛攻。激战至晚，中国军队终将包围圈缩小。
9月27日拂晓，日军步、空、炮协同作战，向迷回村、盖房沟等阵地发动全面攻击。同时，察哈尔派遣兵团南下部队为直接支援第5师团作战，派十川支队经浑源向平型关中国军队左翼绕攻，在西河口一带遭到第21师的抵抗，终未得逞。28日，第71师第214旅3个团，向六郎城、鹞子涧日军攻击，连夺山头、村庄数个，歼敌1000余人。但程继贤第434团，因突入太深，被敌包围，除数十人突险外，其余自团长以下均壮烈殉国。傅作义即令第218旅支援，日军也增兵反扑，敌我双方在团城口一线胶着，呈对峙状态。
9月29日，敌又以两个纵队向我进攻，阵地数濒危殆，经守军奋勇抵抗，方挽回颓势。至此，平型关血战已达*日，日军终未能越雷池一步；中国军队也无法全歼敌于平型关外。
正值平型关鏖战之际，日关东军混成第15旅团南下应县，于9月27日向恒山与雁山的邻接部——茹越口发动猛攻，以策应平型关方面的第5师团。茹越口亦为内长城防线的交通要冲，是从应县至繁峙必经之处，向为兵家必争之地。阎锡山虽在此处筑有国防工事，但山地纵深较浅，而且处于晋军和刘茂恩军的结合部，守军兵力单薄，仅有第34军梁鉴堂第203旅防守。其后方25里险要的铁角岭、五斗山，虽有既设阵地，却未布置守兵。战斗一开始，敌步炮联合4000余人，在炮火掩护下，向我阵地猛攻。该旅第227团顽强抵抗，损失惨重。这时，阎锡山即令第34军派队出击。日军也增兵，战事均无进展。翌日，敌再度强攻，激战至午防线被突破。梁鉴堂率余部退守繁峙以北的铁角岭阵地，继续抵抗。阎锡山又命预备军3个团投入战斗，但未能阻止日军。29日，日军得到补充后，以重兵猛攻铁角岭阵地，梁鉴堂督率余部与日军鏖战，最终自旅长以下官兵1400人全部殉国，阵地失守。日军乃向繁峙急进，30日陷繁峙城。
在茹越口失陷的当日，阎锡山由岭口赴砂河督战。在听取了平型关方面的战况报告后，阎锡山判断日军是以一部兵力在阳方口、茹越口方面实施牵制，而以主力攻击平型关。因此，战区的注意力仍应集中在平型关方面，依然贯彻实施原定计划。
9月29日上午，阎锡山乘车前往大营视察战况。当晚，他在砂河南边的东山底，召集前线高级将领开会，商讨对敌之策。傅作义等总部幕僚拟定出两个方案：一是围攻茹越口、繁峙，歼灭平型关外之敌。其步骤为：先以代县东的马延守、姜玉贞两旅协同五斗山以西的方克猷独立第2旅，攻击进入茹越口、繁峙间之敌，予以围阻牵制；繁峙以东的第35军董其武、孙兰峰两旅仍向团城口前进，先击垮六郎城、鹞子涧线上之敌，配合活动于敌后的八路军，歼灭平型关外的板垣主力兵团，然后，再消灭繁峙之敌。二是坚持平型关、团城口阵地，夹击入侵繁峙之敌。即先以位于繁峙东西的第35军全部，夹攻侵入繁峙之敌，驱敌出茹越口后，