五斗山、马兰口、虎峪口、水岭口至阳方口间的阵地，重点防守代县与雁门关间。并以梁春溥第72师和于镇河新编独立第4旅编为第1预备军，置雁门关南代县。以上兵力计1个师又3个旅1个补充团。
阳方口方面由傅作义第35军刘奉滨第73师和鲁英麟第218旅，配属第1军之吕瑞英第9师负责。第35军于宁武集结后，向代县东进，适时进出于繁峙以北的恒山方面，与刘茂恩军组成北机动兵团，由傅作义指挥，从繁峙北翼展开，俟敌胶着于繁峙主阵地时，围而歼之。
另以赵承绶骑兵第3军彭毓斌骑兵第1师、孙长胜骑兵第2师在神池、朔县，担任侧翼警戒。
以上总兵力约计10万人，（欲）与日军在砂河及繁峙城间进行决战。阎锡山对此计划颇为满意，自诩为：“布好口袋阵，让敌人进得来，出不去。” 因此，他信心倍增，亲自召集有关将领到岭口行营，面授机宜，并率众将领至繁峙、砂河间的主阵地带，进行周密的实地勘察，以便选定极扼要地形，构成最坚固的“口袋式” 纵深阵地网。这还不放心，又派高参前往平型关、团城口、恒山各方，向孙楚、傅作义、陈长捷等传达指示。
但日本人并不会按着阎锡山的剧本来演出，正当阎锡山谋兵布阵，调兵遣将，尚未部署完毕之际，日军两路大军已气势汹汹杀将而来，一场激战由此展开。
12月17日，日军混成第2旅团先头部队步兵第57联队第3大队到达平型关，与担任修筑工事的独立第8旅展开激战，守军1个连伤亡过半，阵地易手数次，失而复得。次日拂晓，日军主力四五千人到达，又向平型关、团城口一带阵地，大举进攻，并以数十辆战车沿公路向平型关推进，孙楚问询当即命令杜春忻第师出击。
日军以飞机、大炮、机枪和坦克猛攻，冲击平型关。敌我相距仅400米左右，双方短兵相接，形势危急。419团长张成义身先士卒，率一连步兵，阻击敌军，不幸中弹负牺牲，战况更趋紧张。孙楚急令章拯宇独立第3旅增援，该旅两个团先后参加战斗，战斗极为激烈，双方伤亡惨重。日军不断增加，并在飞机的配合下，攻占了晋军据守的高地，全线被敌控制。阎锡山闻讯大为震惊，提出悬赏万元夺回高地。第师第418团遂奉命组织奋勇队，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101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101师、第7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。
为了确保平型关安危，12月19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，并调动第5集团军安华亭新编第5旅、石玉山新编骑兵第2旅赴西河口地区待命，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。
日军正面进攻