日军占领平原之后又向忻口发起猛烈的进攻，而此时国军也已经做好了应战的准备，所以开始的时候作战双方不分成败，一直处于势均力敌的状态。见一时无法攻取忻口，日军便开始增派兵力，更是使用毒瓦斯、烧夷弹助攻等方法进攻忻口，这些手段使国军伤亡惨重。

为了进行反抗，国军夜袭代县西南的阳明堡机场，摧毁部分敌人的战机、歼灭百余名日军，大大的削弱了日军的势力以及实力。战争一直持续到10月底，局势开始恶化，国军开始在这场战争中处于劣势。最终在伤亡惨重的情况下未能守住忻口，国军于11月2日全部撤离忻口，至此忻口战役以国军失败告终，日军与国军均损失惨重、伤亡惨烈。

尽管忻口战役失败了，但是它也给日军造成了重创，国军勇敢抗敌的精神给日军也造成了相当大的压力，是对日军沉重的打击。