为了保证太原和解除晋北中国作战部队的后顾之忧，第二战区司令官部决定组织娘子关保卫战。“第一战区从保定南移的部队占领了娘子关的山区，真的很保守。相机进攻石家庄，威胁平汉路南进的敌人。”(《第二战区娘子关保卫战政策和指导要领》，国民政府军令部战史会档案，中国第二历史档案收藏。)蒋介石命令第一战区主力孙连仲、冯钦哉从平汉路撤退、27两路军、曾万中第三军等部约7名师兵力，沿晋冀交通动脉正太路井兴至娘子关一线布防，守卫晋东关，开辟保卫太原的东线战场，由第二战区副司令黄绍红指挥。
平汉路日军占领石家庄后，新增土肥原师团在漳河与商震第20集团军展开激战，川岸文三郎第20师团和108、109师团和伪满军一师渡过沱沱河，由正太路入侵，试图进出娘子关以西，威胁太原，应对日军第五师团在晋北的战斗。
中军向娘子关附近转进，仓促进入阵地，立足不稳，日军立即跟进，向中军阵地发起猛烈攻击。11日，日军分别向井星和贾庄发起进攻，并以约890人的身份围攻第17师长生口，直接抵达旧关。中国守军部署不确定，部队分散，无法组织有效堵塞。井星和长生口被突破，旧关于12日失守。同日，黄绍红命令原定增援晋北的孙连仲第26军回援，并命令第三军聚集在旧关、新关附近。日夜，第17师以一部电影向长生口进攻，迟滞日军前进，并坚守娘子关以东要地雪花山。一开始比较成功，克复刘家沟、长生口等地，后来被敌反攻，雪花山守军指挥官因疏忽造成阵地丢失。第17师发动反攻，严重损失仍未克复阵地，不得不退守乏骡岭。
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14日上午，日军派出1000多名联队入侵旧关镇和魏泽关，遭到第26路军第79旅的痛击。孙连仲派第27师另一部围攻核桃园，分兵猛烈攻击关沟敌人，“激战两天，肉搏10多次，当关沟敌人歼灭时”。(孙连仲至蒋介石密电(1937年10月16日)，国民政府军令部战史会档案，中国第二历史档案馆藏。)15日上午，第三军第34旅从梁家永王家岭向旧关推进，与第26军一部围攻旧关。中国军队发动了几次猛烈的进攻，直到晚上，“敌人已经动摇了”。16日黎明时分，日军进行了反击。虽然中国军队清除了关沟的残敌，但被旧关包围的日军利用东南和西北高地进行了抵抗。日军并派飞机大力支援，中国军队无法发动进攻。从晚上开始，日军向第27路军工兵营所在的旧关西南高地反击，突破阵地。前往增援的第27军教导团伤亡惨重，几至全部牺牲。17日，中国军队继续进攻，计划先切断旧关的敌后路，然后歼灭，而日军则大举反击。双方激战，肉搏战10余次，伤亡均重。中国军队用火力封锁了核桃园至旧关的通道。
19、202日，日军从正面攻击中国疲骡岭第17师阵地。在赵寿山师长的带领下，中国守军与敌人搏斗，伤亡惨重。全师1.3万多人，只剩下2700人，被迫撤离，失去阵地。而且旧关至核桃园一带的日军则连日遭到中国军队的攻击，山沟里陈尸累累，伤亡严重。残敌1000多人退守旧关附近的高地。19日，日本第20师领导接到攻占阳泉平原的命令，决定将士兵分为两条路。右纵队沿井兴、新关至石门大道及其以北进攻；左纵队共有4个步兵大队和1个山炮兵大队沿着测鱼镇至石门大道前进，即绕道攻击中国守军的右背。(日本防卫部防卫研究所战史室:《中国事变陆军作战史》第一卷第2分册，第72卷～73页。)同日，晋东第18集团军第129师到达阳泉，奉命进驻马山村、七根村，掩护妇女关守军右侧背部。
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21日，中国军队继续攻打旧关之敌。据高顽抗，核桃园和大小龙窝在晚上11点被中国完全占领。娘子关正面日军增援后，与飞机、火炮协同步兵攻击北峪、(1000)标高地和南峪以北附近高地中国军队阵地，北峪等阵地被突破。22日黎明时分，日军猛烈进攻南峪东南(1000)标高地等地，(1000)标高地“守兵全部殉国，敌近地都”。黄决定缩短防线，将剩余部队移至锦山和娘子关以北高地，以节省兵力。同时，第27军在臭水、桃林坪、观音陀山建立阵地。(1937年10月22日，国民政府军令部战史会档案，中国第二历史档案馆藏。)第26军在娘子关血战八昼夜，兵力不足6000人，很难应付娘子关前50多英里的防线。孙连仲请求增援，阎锡山命令四川军第122师、第124师沿正太线增援。此后，直到26日，娘子关正面的中日军队一直处于对峙状态。
日军左纵队从横口站渡河西进入，23日抵达南障城，南下测鱼镇约230人抵达刘家珊和固栏村附近。24日，测鱼镇步骑联合敌3000多人在七根村遭到第129师386旅771团的阻击，由于众寡悬殊，该团损失惨重。日军向马山村进攻，刚到这里的川军被击退。为了缩短阵线，中国军队当天命令第三军从固兰村撤退，约300名日本军队乘飞机从中国军队阵地间隙跳入十家路、乱安村，向固驿镇中国军队右侧进攻。黄绍红命令第122师一部与第三军进攻敌人，但到25日，敌左纵队全部到达固驿镇附近，与中国守军发生激战。
25日，日军以骑兵为主体，马山村闯入中国第三军右翼后十字路口、乱安村、固驿村南端高地，与守军展开激烈竞争。与此同时，川军第122师在西回村西部高地与日军发生了激烈的战斗。此时，除第122师外，马山村至平定道路已无兵守卫。为防止日军断我后路，26日，黄绍红与阎锡山协商后，“抱着最大的决心，以26路军留下一小部分守娘子关，主力移至巨城镇、移谷镇，进出柏井驿、桥头村，以本日第二次新加入的川军124师之一旅推进石门，准备对敌进攻”(黄绍红致蒋介石密电)。)并将冯钦哉部的三个团调到巨城镇间，以抵抗娘子关的敌人。日军突破了娘子关的主阵地。守军立即按计划撤退，晋东门户娘子关失守。
晋东门户娘子关失守，全师13000多人打完只剩下2700人！