此战，国共两党配合默契，在平型关之役、忻口之役中重创日军，1937年9月—11月间进行的太原会战，乃是抗战爆发后，中日双方在华北进行的第一场大规模会战，也是国共两党在战场最默契的一次配合。

　　日军出动4个半师团约14万人，意在消灭中国第二战区主力，夺取太原。中国方面有6个集团军约28万人参战，计划歼灭来犯之敌，遏制日军在华北的攻势。

　　太原会战主要包括平型关战役、忻口战役、娘子关战役、太原保卫战等。大同失守后，日军第5师团、察哈尔兵团向平型关前进，意图抄雁门关后路，夹击太原。为防御日军，阎锡山布置了8个军近10万人参加平型关战役，其中包括林彪任师长的115师。

　　在此次战役中，中国军队历经团城战斗、平型关战斗、鹞子涧战斗、茹越口战斗等大小战斗，与日军激战近20日。尤其是115师发动的平型关战斗(即通常所说的”平型关大捷“)，歼灭日军四五百人，打破了“皇军不可战胜”的神话。

　　接下来的忻口战役中，阎锡山将主力部队分为左、中、右三部分，其中右翼指挥官为第18集团军(八路军)总司令朱德。日军被忻口前线国军阻击20余日，其后方及交通线又被八路军的游击战所威胁，一度陷于被动。

　　但10月26日娘子关失守，使忻口的侧背受到威胁，阎锡山被迫下令撤守忻口。忻口战役中，中国军队奋勇杀敌，军长郝梦龄、师长刘家麒等将领殉国;日本军官大田雄太郎都在原平，为对手国军196旅立了一座慰灵塔，上书“为永久追悼在原平战争中战死的4300名无名战士亡灵设立慰灵塔”。

　　此时太原已岌岌可危，奉命守城的傅作义实力薄弱，据称其所部仅“新旧各六团，皆经过作战损失之余每团仅二百余人者，计实数战斗兵共约六千余”。

　　兼之太原“守城官兵当全省局势一再失利连溃之余，对于守城任务多而生畏，再加以临时拨之新编各团，既无训练，而精神世界又不连贯，未见敌人，先行逃散”。因此面对日军进攻，太原仅仅守了四天即告陷落。

　　在会战中，中国军队以伤亡13万人的代价，给日军造成约2.7万人的伤亡，依旧没能守住太原城。如黄绍竑所说，“这次战事，打破了山西军善守的传说。其实并不是山西军不善守，而是现代的火器太厉害了。以我们古旧的城堡与劣势的火器，要作长久的固守是不可能的、不但山西如此，以后的南京，以及各地的防守战都是如此。”

　　具体来看，参加太原会战的中国军队“装备窳劣陈旧，如炮兵约为日军三分之一，空军战机为日军十分之一。因此中国空军既不能获得制空权，又不能支援地面部队作战;炮兵亦多分散使用，不能充分发挥威力。

　　日军有战车、装甲车、野战重炮，国军则无，仅凭步兵与训练精良、装备完善的日军决斗，且通信器材不足，影响各部队间之联系甚大，致遭受惨重损失。”中日双方间的这种强弱对比，直至战争结束也未能改变。

　　太原沦陷后，毛泽东曾判断：华北国军的“正面战争”已经结束，中共虽在太原会战中配合了国民政府制定的作战计划，被誉为国共两党在抗战中合作的“一次典范”，但中共并未改变改编时所提条件：中共的抗战方针“只在整个战略方针下执行独立自主的分散的游击战争。

　　而不是阵地战，也不是集中作战，因此不能在战役战术上受束缚，只有这样，才能发挥红军的特长，给日寇以相当打击。”毛泽东为八路军指定的战略方针是“独立自主的山地游击战”。