日军原田师团于10日突破守军龙王窝阵地，沿黄河北岸向西突进。11日，第一战区发现黄河西岸河防空虚，命令裴昌会军直属部队、第五十四师和第四十七师一部，从官阳南渡，守备黄河南岸，新编第二十四师和第四十七师主力则留在道清铁路西段山地及济源山地游击。
当天，一百多架日军飞机轰炸封锁官阳东西渡口，第五十四师在遭受重大伤亡后渡到河南，其余各师各团都退到封门口至邵源以北的山地。12日，日军西进到官阳附近，控制了黄河北岸各渡口，其主力田中师团则沿封门口西进到邵源，与从垣曲东进的樱井师团一起，夹击守军刘茂恩集团军，完成了对刘茂恩集团军的内线包围。
在中条山东北侧，驻防这一线的守军主要有刘茂恩集团军司令部、武士敏军，以及范汉杰军和刘戡第九十三军等部。7日晚，日军向武士敏军发起进攻，武士敏率部拼死抵抗，在董封东西线上与日军激战，多次击退日军进攻。王村一战，击溃日军两千名，击毙滨田大佐以下七百多人。10日，战区长官部看到济源和垣曲之间的所有主要渡口渐次被日军封锁，刘茂恩集团军整个补给线中断，命令阳城以西部队主力，迅速向沁翼公路以北分路转移，以旋回钻隙战法，打击日军侧背。天亮前，刘茂恩集团军全面与日军发生激战。下午4点，交口的日军陆续增加到三四千，攻陷了清风的圪塔和煤坪。第十师与武士敏军的接合部二里腰，也被大约两千多名日军突破。邵源方面的日军也向西北紧迫，刘茂恩集团军处于三面受敌的危境。各部突围游击，向北撤退。
在守军全线溃退的同时，日军以优势兵力和猛烈炮火占据先机，迅速完成了第一阶段的作战任务，突破了中条山地区的全部防御阵地，先后占领了垣曲、济源、孟县和平陆等县城，以及相关的关隘据点，封锁了黄河北岸各渡口。14日以后，日军继续封锁渡口，在中条山区围攻中国军队。留在山区的守军损失惨重，只能化整为零，分别突围，向太岳山区、吕梁山区和黄河南岸转移。日军完成了对中国守军的内外侧双重包围。
在中条山战役中，毛泽东多次向八路军总部指示：“我们的基本方针是团结对敌，是配合作战。”华北各地八路军主动出击，袭击南三角区的日军，截断了同蒲路、正太路、平汉路和白晋路等日军的交通线，积极配合国民党军队作战。
在八路军掩护下，唐淮源军和范汉杰军等部队残部，在曾万钟率领下西渡黄河，转到洛阳和新安一带整顿。刘戡军主力在摆脱尾追的日军后，从禹门口渡过黄河，进入陕西韩城境内。第九十八军一部在武士敏率领下，进入太岳山区。赵世铃军向浮山和翼城间转进。裴昌会军主力在道清铁路西段和济源山地游击了几天后，分别由小渡口和官阳渡口南渡。驻中条山的中国守军，大部分退出中条山地区，转向日军背后攻击。21日，战斗停止。
中条山会战，前后历时一个多月，中国军队伤亡四万两千多人，被俘三万五千多人，丧失了中条山及其附近地区的大片国土。日军仅以一比二十的极小代价“扫荡”了中条山地区的中国军队，占领了威胁洛阳、西安及陇海路西段的“桥头堡”。中国军队在这次会战中惨败，成为“抗战史上最大之耻辱”，但它却检验了几年以来国共合作的效果及军事上的协调。
5月份，蒋介石为了掩饰自己的部队在中条山的失败，造谣污蔑八路军不配合作战。周恩来于5月21日致信《大公报》，列举大量事实，驳斥各种谣言，指出一周前晋南白晋公路一段就是在第十八集团军部队袭击下而停止通车。周恩来声明：“我们一向主张团结抗战，而且永远实践团结抗战。”他表示：“只要和日寇打仗，十八集团军永远不会放弃配合友军作战的任务，并且会给敌人以致命打击的。”他要求《大公报》将这封信向读者公开。23日，《大公报》全文发表此信，一时轰动重庆。毛泽东看到这封信后，致电周恩来，说“写得很好”。