随着日军第五师团在忻口作战中的大量消耗，使得日本华北方面军的作战计划受到极大的滞后。同时日军的后方和交通运输线又受到八路军游击战的大肆骚扰，日渐不支。

日军在忻口附近受到中国军队的顽强抵抗，进展甚微，于是在10月中旬派兵沿正太路向太原进攻。驻守在正太路娘子关隘口的中国守军是国民党第二战区副司令长官黄绍竑所部。

自10月11日开始，日军与中国守军在正太路及娘子关周围地区进行战斗。14日，中国守军在娘子关附近得到孙连仲所部的增援，立即对进犯之敌进行反，当日即毙敌数百名。

15日，又将侵入关沟之敌1500多人大部歼灭，并于次日拂晓发动全线进攻，与敌血战肉搏，痛歼敌军。

但到19日，日军援兵大量增加，并得到飞机、火炮的有力配合，中国军队虽继续奋勇战斗，终因力量悬殊，逐渐转为劣势。

10月26日，日军第二十师团攻占娘子关，与晋北的第五师团遥相呼应，对忻口的中国守军形成南北夹击之势。原本占据绝对主动的中国军队顿时变成被动，战局急转直下。

11月2日，第二战区司令部不得已下令忻口守军撤退，保卫太原。洒满中国将士鲜血的忻口于当日被日军占领，战事转向太原。

至此，忻口战役作为太原会战的一部分宣告结束，中国红白两军虽然密切配合通力合作，消灭了四万多日军，可最后还是以失利告终。

但是忻口战役是全面抗战开始后民党军与工农党领导下的八路军在战区统一部署、紧密配合下取得的正面坚守与敌后机动作战的一次成功的防御战，也是抗战初期华北战场上作战规模最大、战斗最激烈的一次战役。

中国军队在忻口战役中坚守阵地长达20多天，有力阻击了日军的南进计划，大量消耗了日军的有生力量和物资装备。战斗中涌现出郝梦龄、姜玉贞等壮烈殉国的英雄将领，而且还出现了平型关大捷、原平大捷以及河南村大捷这三场伟大的胜利，破除了“日军不可战胜”的神话。

会战虽然失利了，但在这次战斗中，中央军、晋绥军与八路军密切配合，协同作战，以伤亡10万余人的代价，歼灭日军4万余人，创抗日战场歼敌之最新纪录。所有这些，都极大地鼓舞了我抗日军民同万恶的日寇进行殊死战斗的勇气和信心。

八路军教导师近四万人于11月3日撤退到娄烦休整，对于忻口战役的失利，张城虽然有心挽救，但毕竟自己不是战役的最高指挥官，而且顾忌太多令张城完全施展不开手脚，能打成歼敌两万余人，成建制消灭日军两个混成旅团和一个联队的战绩，他已经非常满意了。

初战告捷，满载而归，张城又把目光投向了太原。