第五天凌晨两点钟，反击开始。郝梦龄指挥部队连克几个山头，到5点钟，天色微明，他急于赶到第五旅前沿阵地指挥作战，官兵们告诉他，前面有一段路被日军火力封锁，十分危险，劝他写个书面命令派人送去。郝梦龄说：“瓦罐不离井口碎，大将难免阵前亡。”
郝梦龄说罢，向前沿阵地奔去，在穿过离日军仅两百米的阵地时，不幸中弹牺牲，年仅三十九岁。同时牺牲的还有第五十四师师长刘家祺，稍后，独立第五旅旅长郑连珍也阵亡殉国。
郝梦龄的部队，原来驻扎在贵阳。国难当头，郝梦龄请缨北上。他对妻子说：“我是军人，半生光打内战，对国家毫无利益。日寇侵占东北，人民无不义愤填膺。现在日寇要灭亡中国，我们国家已到生死存亡的最后关头，我应该去抗战，应该与敌人拼。”
他在武汉与家人告别时，对儿女们说：“我爱你们，更爱我们的国家。现在敌人天天屠杀我们的同胞，大家都应该去杀敌人，如果国家亡了，你们也没有好日子过了。”他不忍看到行前家人哭哭啼啼，便悄悄写下遗书，让孩子们日后拆阅。遗书写道：
此次北上抗日，抱定牺牲。万一阵亡，你等要听母亲的教调，孝顺汝祖母老大人。至于你等上学，我个人是没钱。将来国家战胜，你等可进遗族学校……
国民政府为郝梦龄举行了国葬，追赠他为陆军上将，以示褒扬。毛泽东在延安追悼抗敌阵亡将士大会上，称赞郝梦龄等人是中国人民崇高伟大的模范，证明中华民族决不是一群绵羊，而是富于民族自尊心与人类正义心的伟大民族。
郝梦龄殉国了，守军伤亡惨重，卫立煌请求蒋介石增派援军。蒋介石和阎锡山分别派出邓锡侯第二十二集团军的孙震第四十一军、第九十四师和第一七七师的第五二九旅前去支援。与此同时，日军的四百多辆汽车，满载着士兵，从团城口向西进犯。卫立煌决定坚守待援，等援军到达后进行反击。
很快，日本陆军在空军支援下，连续三天不断猛攻中央兵团各个阵地。结果，日军损失了二十多辆坦克和同等数量的装甲车，没能前进一步。每每到了这种时候，日军就会开始使用毒气。守军中央兵团各阵地，遭到大量催泪性毒气的攻击，然后被日军爆破。接着，日军加派萱岛部队投入战斗。守军伤亡三分之二，不肯放弃阵地，还积极组织反突击，双方形成拉锯战。打了十多天，卫立煌手下几乎每天都有两个团的兵力战死，阵地固若金汤。
日军的两翼与后方，遭到八路军连续不断的打击，在正面战场的进攻力量大大削弱。八路军第一一五师徐海东旅主力在平型关一带卡断了日军的交通，截击日军一百三十辆汽车，打退日军一个营的几次反扑。接着，徐海东旅又夜袭团城口，收复平型关和浑源县城。第六八八团夜袭沙河镇，缴获大量军粮和物资。独立团在广灵以南的冯家沟设下埋伏，歼灭一百多名日军骑兵，缴获一百二十多辆满载军用物资的大车和三百多匹骡马。三天后，第六八八团又攻克繁峙。不久，骑兵营等部又接连攻克平山、唐县和完县等城镇，严重威胁着日军平汉铁路北段的交通。
毛泽东关注的娘子关，位于正太铁路线上，西边是平定，东边有井陉，是太原东面的门户。日军占领石家庄后，以一部分兵力沿平汉铁路继续南侵，主力部队川岸师团等部沿正太铁路西进，企图四面夹击，夺取太原。娘子关的局势日益紧张。
10月中旬，日军对娘子关发起攻击，守军还没有全部到位，只有赵寿山的第十七师在井陉附近仓促应战。日军在第二天的进攻中增加了飞机大炮等重型武器，下午6点攻占了井陉。阎锡山急令孙连仲的部队返回娘子关地区，加强防守。
第三天早晨，日军继续向西推进。一千多名日军猛攻赵寿山师右翼的旧关，守军拼死抵抗，日军还是突破了旧关。井陉地区的日军则向赵寿山师正面的雪花山阵地攻击，战士们顽强反击，日军未能得逞。为了阻滞日军的攻势，到了夜晚，赵寿山率部向长生口出击，不料日军趁机占领了雪花山。赵寿山命令部队掉头反击，激战到第二天拂晓，付出了死伤近千人的代价，还是没能夺回阵地，不得不退守乏驴岭一带。
雪花山一带战况紧急，第二战区副司令长官黄绍竑命令曾万钟第三军主力向左转移，以照应赵寿山师作战。第十二师转移到新关一带。与此同时，孙连仲的部队也抵达了娘子关。第二十七师等部队向旧关和核桃园等地的日军发起反击，围歼了关沟地区的日军。经过两天激战，守军共击毙日军川岸师团第七十七联队五百多人。接着，守军向旧关等地日军发起全线总攻。战斗持续了四天，守军以五千多人的死伤换来歼灭日军两千多人的战果。这次反击虽有进展，但赵寿山师阵地已被日军占领，自身伤亡比较严重，不得不停止进攻，撤回原阵地。
日军增援部队很快到达娘子关，发起步兵、大炮和飞机的联合攻势，向守军阵地全线进攻。守军连日血战，部队减员惨重，多处防线被日军突破，孙连仲致电阎锡山请求增援。
正在危急关头，八路军总部命令刘伯承师向娘子关东南的日军后侧进攻，伺机歼灭日军。
刘伯承的部队抵达平定东面，先后消灭了长生口、东石门和马山村的日军。10月25日，刘伯承接到汤恩伯的电话。汤恩伯沮丧地说：“你们的游击战不行了，还是撤吧”