这时，日军已迂回到娘子关正面守军的右后侧。黄绍竑请示阎锡山后，将娘子关一线守军主力后撤。除第26路军留一小部守娘子关外，其余部队退至巨城镇、移稂镇一线。26日，日军占领娘子关，将右纵队改为右追击队，左纵队改为左追击队，以阳泉为目标发动追击。阎锡山已无兵增援正太线，便电八路军朱德总司令，着第115师和第129师速开往阳泉，归黄绍竑指挥。八路军第129师已于10月18日进至平定地区，22日至28日先后在长生口、东石门、马山村、七亘村等地打击日军，取得一定胜利。接着八路军总部率第115师由五台地区南下，支援正太路作战。

28日，日军尾追中国撤退部队，进占巨城镇。在移稂、石门口一线，日军展开猛攻，守军阵地多处被突破。当日下午，蒋介石电令正太线守军在寿阳以东地区坚守待援。但从28日起，正太线守军各部在日军追击下，节节败退。这时，虽有川军一部增援，但已不能扭转溃退局势，截至30日，部队已败退至寿阳附近。日军于29日占领平定，30日占领阳泉。31日，蒋介石令第1战区抽调位于冀南的汤恩伯军团参加晋东作战。汤率第13军经涉县、昔阳、平定前进，攻击日军侧背，但为时已晚。日军华北方面军为增强正太线上进攻的兵力，将第108、第109师团使用于正太线方面。30日，第108师团第104旅团配置在获鹿、微水间。第109师团于11月4日由元氏出发，沿昔阳向榆次前进。11月2日，日军攻占寿阳和昔阳。

黄绍竑即令正太线上的部队撤退至太原外围东山及其东南地区。这时八路军总部率第115师进抵寿阳东南地区，4日在广阳地区打击向榆次进攻的日军，消灭其近千人。7日，第129师再战广阳，给西进日军以有力打击。此时正太路后撤的军队已经溃乱。日军迅速进至太原城外围，与由晋北南下的日军会攻太原。