为增强忻口正面防御，阎锡山在16日命令第19军迅速开赴金山铺，归卫立煌指挥。阎在电报中严饬该军长王靖国：“此次战事关系华北存亡，着该军军长戴罪立功，严督各旅拼死杀敌，以赎前惩。”并令第15军军长刘茂恩：“灵山又被敌突破，仰速集结兵力拼死恢复，以免影响战局，并着严督所部死力抗敌，不得再有疏失。”

17日至19日，日军对南怀化东北高地和官庄高地又发动数次猛攻，但均被守军击退。经多日激战，日军在忻口伤亡两万余人，始终未能攻下南怀化，便转攻大白水。19日后，已无力发动全面性大规模进攻，只能以小部队实施局部攻击。日军“华北方面军”为加强第5师团进攻能力，以“中国驻屯军步兵旅团”第2联队为基干，配属骑兵、工兵、战车分队组成萱岛支队，加入第5师团战斗序列，于22日到达原平。

24日，日军第5师团长将萱岛支队投入战场，再次向忻口地区守军发动攻击，将重点指向官庄以南及左翼的南峪、朦腾阵地。守军顽强抵抗，日军毫无进展。26日，日军继续攻击。左翼守军第83军朦腾村阵地被日军突破。中央与右翼守军则将日军阻于阵地前，进展甚微。27日，日军从东西荣华村突破口向守军贾村阵地猛攻。左翼朦腾村北高地被日军攻占。守军第10师一部反击，将高地夺回。此日，忻口前线全线激战，敌我伤亡均重。日军即以飞机轰炸扫射，并施放催泪性和喷嚏性毒气，掩护步兵向守军阵地逼近，均被守军击退。敌我处于对峙胶着状态。

在正面战场激战期间，第18集团军（八路军）在晋东北及晋西北地区广泛开展游击战，袭击日军侧背及破坏日军后方交通线，有力配合了正面战场作战。

八路军120师切断了日军由大同到忻口的交通补给线，115师打击了蔚县至代县的日军交通补给线，使进攻忻口日军的弹药，油料供应频于断绝，攻势顿挫。日兵食不果腹，衣不御寒，不得不以军毯裹身，玉米充饥，伤兵不能及时后运，在堑壕里**。129师第385旅第769团夜袭代县以南阳明堡日军前线机场，烧毁敌机24架，使敌军攻击力量大损。

蒋介石于10月17日致电朱德、彭德怀：“贵部林师及张旅，屡建奇功，强寇迭遭重创，甚堪嘉慰。”