刘伯承放下电话，对手下说：“游击战行不行，打给他们看看。”刘伯承当天就率领一行人到七亘村察看地形。这是日军从河北进攻山西的必经之路，大道两侧都是高达十米的土坎，杂草灌木丛生。刘伯承命令陈庚的第三八六旅在这里设伏。26日拂晓，第七七二团第三营进入设伏地区。
天刚蒙蒙亮，日军辎重部队在两百多名士兵掩护下，开始向西运动。9点左右，大部分日军进入伏击区。
突然，八路军战士发起猛攻。子弹和手榴弹从土坎上倾泻到日军头上，日军乱作一团。战士们腾身跃起，向日军冲锋。经过两小时激战，大部分日军被歼，八路军伤亡十多人，缴获大批辎重。
陈庚在日记中写道：“炮弹、子弹、无线电器材、干粮，堆积如山。一时群众欢呼，抗敌情绪突然高涨。”“终日搬运胜利品。群众无需雇请，自动参加搬运。”
这时，汤恩伯又给刘伯承打电话，说国民党军队已经放弃了娘子关。他说：“你们也赶快撤吧。”
刘伯承判断，骄横的日军不会因七亘村的失利而裹足不前，他们还会取道七亘村直取平定。于是，他再次派陈庚旅在七亘村伏击。果然，到了28日，日军一百多名骑兵和三百多名步兵，掩护着辎重队，又在原道上出现。八路军又是第三营突然发起猛攻。这一次，由于日军已有精神准备，加上八路军增援部队没有及时赶到，日军没有全部被歼。战到黄昏，八路军歼灭一百多名日军，缴获几十匹骡马。八路军伤亡二十多人。
这次战斗有个意外的收获，战士们从战利品里面找到了山西和华北的军用地图。刘伯承曾要求阎锡山提供山西与河北的军用地图，阎锡山说没有。八路军作战，只好用袖珍本中学生地图。现在，刘伯承是踏破铁鞋无觅处，得来全不费工夫。他说了一句俏皮话：“没想到日本人用中国人印的地图打中国人。怪不得阎锡山说没有地图，原来是跑到日本人手里了。”
不久，汤恩伯得知八路军在七亘村的战绩，对刘伯承说：“看来还是你们的游击战行啊”
与此同时，八路军总部电令林彪率第一一五师一部分兵力从五台山南下，协同在正太路以南作战的刘伯承师，牵制西进的日军。
11月2日，林彪率师部和陈光旅在昔阳县马道岭牵制日军，并乘机进入广阳地区设伏。4日下午1点，日军先头两个联队和辎重队路过沾尚镇，进入伏击区。陈光旅放过强敌，向辎重部队发起猛攻，歼灭近一千名日军，缴获了七百多匹骡马、三百多支步枪和大批军用物资，日军不敢再向西推进，被迫返回广阳。
同一天，刘伯承指挥陈庚旅在昔阳县南部的黄崖底，利用河谷地形预设埋伏。日军山冈师团第一三五联队大部分进入河谷伏击区后，刘伯承下令开火，打得日军蒙头转向。
日军清醒过来后，在一座庙旁集结，架起钢炮掩护冲锋。刘伯承命令迫击炮从日军左翼的山头上还击，几十发炮弹在日军中爆炸，正好击中日军的弹药箱，日军的钢炮成了哑巴。
日军抢占高地不成，就在谷底抢修工事，顽抗待援。
从八路军设伏的高地，只有几条羊肠小道通向谷底，大部队无法发起冲击。刘伯承命令部队集中火力猛射一阵，然后下令撤离。这一仗，毙伤三百多名日军。
几天后，刘伯承师又在广阳和户封村等地连续打伏击，歼灭近千名日军。
刘伯承和日军交了几次手，就总结出他们的一个脾气，叫做“记吃不记打”。日军为了实现战略目标，往往不惜代价，照老路子硬碰硬撞。八路军知己知彼，在相距很近的地区连续设伏，取得骄人的战绩。这些伏击战使日军的行动延迟了一个星期，为正太铁路撤退的国民党军队提供了掩护。但是，由于国民党军队总是从正面抵抗日军，撤退下来以后，便无法组织有效的防御了。
赵寿山的部队从娘子关撤下来时，在盂县遇到了前来联络的八路军代表。赵寿山说：“我的部队损失很大，守不住关口，蒋委员长怪罪下来，我只得枪毙了一个团长。你们看看我的部队，骡马比人还多，干脆，你们拿一些骡马去吧。”八路军代表谢绝了他的骡马。
日军攻占了娘子关，阳泉、平定和寿阳先后沦陷，太原处于日军的大包围中。
日军一路从忻口南下，另一路沿正太铁路西进，相继逼近太原。卫立煌把主力转移到太谷和交城地区，阻止日军继续南侵。在外围防守部队南撤后，太原的守军仅有约十九个营的兵力。奉命增援的部队除了第八旅的一个营进了城以外，其余部队都向南撤了。太原保卫战成了“孤城独战”。
11月7日，东、北两路日军在太原附近的狄村等地汇合，日军步兵在大炮支援下开始攻城，还出动飞机狂轰滥炸。激战了一整天，城外守军大部分牺牲，黄昏时，剩余部队撤进城内。
第二天清晨，日军借助强大的火力继续攻城。上午9点，城墙东北角被炸塌，东、北两面城墙被轰破，日军趁机冲进城内。守军奋勇截击，战到下午4点，在东北城角和日军展开激烈的巷战。黄昏后，一支日军空降到城内，四处袭击。守军官兵奋力血战，伤亡过重，无力再战，向离石方向撤退。太原陷落。
忻口和太原会战，历时一个多月。中国军队在日军占领太原之前，迫使他们付出了伤亡两万多人的代价。参加会战的中国官兵英勇顽强，表现了高昂的爱国热情。八路军自从8月下旬出师华北以来，开展独立自主的山地游击战，配合国民党正面战场的作战，先后打了一百多次胜仗，到太原失守为止，总共歼灭日军一万一千多人。
这次防御战，在抗战初期的华北战场上，规模最大，战斗最激烈，持续时间最长，战绩最为显著。