为了牵制日军，配合南怀化我军的战斗，曾两次出击卫村，未能把敌人赶走。日军便用飞机轮番轰炸，诩大炮猛轰，接着便是敌人步兵冲击。中国守军凭借工事和昂扬的斗志，一次又一次地打退了敌人。日军白天摧毁了中国守军的工事，夜间又被中国守军修复起来；有的阵地白天丢了，晚上又被中国军队夺了回来。最多的一天，日军向朦腾阵地发射了520多发炮弹。中国守军仍然令人难以置信地守在被炸得面目全非的阵地上。
板垣征四郎的部队向膜腾进攻的同时，也向大白水、小白水发动了进攻。这里是李默庵14军第10师第58旅防守地带。
战斗一开始，日军便对小白水使用了坦克，由于部队没有打坦克的经验，又没有平射炮，第57团的2营受了相当大的损失，退出了小白水，在大白水村的左翼1500米的丘陵地带，构筑工事，占领阵地。57团第3营接2营阵地，守正面；第1营接第3营阵地，守卫大白水的右翼，这些部队的装备比较强，每个营配有27挺轻机枪，6挺重机枪，2门82迫击炮，250支步枪，另外还临时配备了2门37平射炮。
日军在大白水阵地反复侦察之后，便在飞机大炮掩护下，以十几辆坦克作先锋，向第2着发起进攻。
中国守军利用为数不多的平射炮打毁敌人的坦克，用机枪、手榴弹打退了日军的一次次攻击。
在忻口左翼阵地大白水一带，日军攻不过去，再往西，是一片连绵不断的高山，更走不通。在忻口的右扫大小灵山7带，山势更陡，也走不通，板垣征四郎还是要走中央突破的路。郝梦龄第九军防守的南怀化一带，便成了战斗最激烈的战场。
忻口西北一个高地被敌人占领了，这对南怀化阵地是一个威胁。卫立煌给2i师师长李仙洲下令：“要尽一切力量夺回高地，全歼敌人。”李仙洲率苗瑞林的62团向敌人发起进攻。敌人凭借其火力优势，顽固抵抗，久攻不下。
李仙洲亲自上了第一线，官兵们士气大振，一鼓作气夺回了高地。李仙洲胸部中弹也负了重伤。
南怀化东北的一个高地又被日军攻占了，郝梦龄命令独立第5旅旅长郑廷珍收复这座高地。他相信这个血性大汉能完成任务。
果然，郑廷珍带着队伍一阵猛冲，高地重新夺了回来。
日军攻占了南怀化，向左右扩展成一个400米左右的口子，如果不封住这个口子，日军便有突破中央地区阵地的危险。阎锡山告知卫立煌，愿出50万元赏金，要求收复南怀化阵地。
这个赏格对于守卫中央地区的郝梦龄是一个沉重的压力。他组织了两路部队，依靠各高地的掩护，准备夹攻南怀化。
他与参谋长在行动之前，再一次检查了全部部署，在他认为捕意后，稍为松了一口气。就在这个时候，翟洪章送来了报告，说是敌人正向他的阵地压来，要求增援。郝梦龄知道那里已经把营编成了连，人力单薄，应该。可是他手头没有兵力可调。整个322团已经由2000人缩编为900人的队伍，不但翟洪章那里困难，与他相邻的几个阵地都是困难的。现在，不是拼人力，拼武器，而是拼勇气。独立第5旅已经夺得了南怀化东北的高地，也是对翟洪章方面的一个支援，更是对进攻南怀化的掩护。郝梦龄看报告后只批了两行字
“站在哪里，战在哪里，
生在哪里，守在哪里。”
对南怀化的进攻还未开始，郝梦龄查问了独5旅阵地情况，报告一切良好。郝梦龄对参谋长说：“只要这块高地在我们手里，就好办。”
他的话才落地，独5旅来了一个电话，郝梦龄抓起了话筒，他以为自己听错了，又追问了一句：
“你说什么？”
“郑旅长阵亡了！”对方说。
郝梦龄强忍着悲痛下令：
“由李团长代理旅长，坚守阵地。”
入夜，进攻准备开始的时候，郝梦龄接了卫立煌的电话：南怀化是第九军阵地锁钥部位和与友军的接合部，敌若绕过前进阵地突破主阵地前沿，将对整个战局影响甚大，必须收复。
郝梦龄寻求着必胜的途径。他认为这一仗不应该在后方指挥，应该到最前线去指挥。他对54师师长刘家祺说：
“这一仗不是一般的仗，是必胜的仗。也不能按平时的指挥办法，坐在后方。今天，我要到4团去，参谋长看电话。”
“那我随军长一同去！”刘家祺说。
10月16日晨时，郝梦龄与刘家棋携同参谋人员到了四团指挥所。
郝梦龄来到守卫高地的官兵中间大声他说：“先前我们几千弟兄守这个阵地，现在只剩100多人还是守这个阵地，就是剩下1个人，也要守这个阵地。我们一天不死，抗日的责任就不算完。我出发前已在家里写了遗嘱，不打败日本决不生还。现在我和你们一起坚守阵地，决不后退。我若先退，你们不论是谁，都可以枪毙我！”
官兵们听了军长慷慨激昂的话，士气大振，奋臂高呼：“誓死坚守阵地！”
郝梦龄在前沿指挥所指挥部队向南怀化方向运动，准备发起攻击，夺回这个要地。
这时，日军已经发现了中国军队的动向，机枪、山炮猛烈地射击起来。南怀化的周围马上一片炮火，中国军队猛烈进攻，日军负隅顽抗。四周的部队进展不大，两方相持不下。郝梦龄认为这正是独5旅从高地下压歼敌的好机会，却不见5旅的出击，郝梦龄把跟前阵地上的翟洪章叫了过来。
“此地通5旅最近的路是哪条路？”郝梦龄问。
“由这里到5旅，必须经过一段被敌人火力封锁的小路，长有20余米。敌人在小高地上有4挺轻机枪。昨天有4名传令兵牺牲在那里了。夜间过，危险小些，白天无论如何不能过。现在，天已大亮，最好不要去；一定要去，请绕个远路。”翟洪章说：
“时间已经晚了，再绕远路，要误事的。”郝梦龄说。
“那么，请你写一道命令，派人送去，不是也可以么？”
“亲自去，效果大。不能事事靠别人。”
“军人，那……”
“不要紧！”郝梦龄知道翟洪章要说，那太危险，他微微地笑了一下，诙谐地说道“瓦罐不离进口坏，大将难免阵前亡。你好好地守住阵地吧！”
郝梦龄、刘家祺和随从人员，拉开距离，向敌人火力封锁的小路口上走去了。
阵地上的日车清廷地看见了几个肩章领章金光耀眼的中国军人走来。
一阵机枪的响声……
郝梦龄身中10余弹，倒在血泊之中。刘家祺急步向前，抢救军长，还没迈出一步，也倒在血泊之中。 独5旅李代旅长闻讯之后，急步赶来抢救。也被敌弹夺去了生命。
短短几分钟内，郝梦龄军长、刘家祺师长、李代旅长都先后献出了自己的生命。
在郝军长的衣袋里，有一封尚未发出的致友人的信：
“余受命北上抗敌，国既付以重任，视我实不薄，故余亦决不借一死以殉国，以求民族生存。此次抗战，誓当以沙场为归宿。”
士兵们把郝梦龄、刘家祺的遗体抢下来，运到了忻州。卫立煌已经向蒋介石发了电报，报告了这不幸的消息。
卫立煌用柏木棺材把郝军长、刘师长装殓起来之后，送到了太原，各界军民人等沿路致祭。然后转送到武汉。11月15日武汉各界举行追悼大会，全市下半旗致哀，武汉行营主任何成浚代表蒋介石主祭，献花圈，宣读祭文，以国葬仪式将灵枢葬于武昌洪山卓刀泉。
国民政府下令褒扬郝梦龄、刘家祺、郑廷珍三将军。褒扬令称：
“陆军第9军军长郝梦龄、第54师师长刘家祺、第5旅旅长郑廷珍，矢忠革命，夙著勋勤。率次奉命抗战，于南怀化之役，率部鏖战，历五昼夜，犹复身先士卒，奋勇无前，竟以身殉。眷怀壮烈，轸掉弥深，应予特令褒扬。郝梦龄追赠陆军上将，刘、郑各追赠陆军中将，并交行政院转饬从优抚恤，生平事迹存备宣传史馆，用彰勋荩，而重永久。”
蒋介石的祭文如下：
“呜呼！岛夷蛇豕，荐食上国，既噬台鲜，又攫东北。贪婪无厌，兵压平津，陷察攻晋，谓我无人。娇娇郝君，一军独领，身先士卒，纵横驰聘。刘君继踪，如影随形，我师生力，万钧雷霆。方其赴敌，宁惜一死，挺身杀贼，誓雪国耻。枪林弹雨，与寇偕亡，士气大振，无忝炎黄。呜呼！寄生天地，百年瞬息，正命沙场，垂名无极。惟念二君，千里庭趋，九原有知，遗恨欷欲。家室子女，存问昕夕，凡兹善后，生者之贵。神皋禹甸，寸土寸金，有寇无我，人同此心。仗兹精诚，虏入吾掌，一尊妥殓，尚其来享。”
腹背受敌，卫立煌忍痛“走麦城”
忻口会战杀得天昏地暗，双方军队伤亡惨重，中国军队郝梦龄将星陨落，晋绥军第19军、第35军、第61旅等数10个团战斗最激烈时，在正面2里宽的战线上，从拂晓到黄昏，一天之内就损失了10个团的人马。在长达23天的会战中，日军受到重创，死伤也在万人左右。第5师团、第42联队等部队被歼灭。
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阎锡山在指挥忻口会战期间，曾和晋军将领扬爱源、孙楚等人，每日下午乘坐小车，亲临前线坐镇，并调遣一个宪兵大队，随执法总监张培梅在前线督战。
南怀化战斗继续在激烈进行，郝梦龄遗留下来的中央兵团总指挥职务，由陈长捷继任，陈长捷打得很坚决，在南怀化以南，双方展开了拉锯战。中国守军顽强奋战，寸土不让，晋军用太原兵工厂自制的80000多发炮弹猛烈回击日军，山西造的手掷弹、手雷也发挥了极大威力，日军无数次冲击，都被守军打下去了。当地成百上千的老百姓自发地组织起来支援前线，抬伤员、挖战壕，和士兵们一起在战火中穿梭。当守军的手掷弹、手雷打光时，各村百姓纷纷将自己家藏的刀、矛、钢叉等武器送给战士们，和敌人展开肉搏。在华北战场上演出了一幕前所未有的全民抗日的壮烈场面。
朱德、彭德怀指挥的八路军，为了配合忻口会战，在敌后广泛开展游击战。第115师连克雁北、冀西的灵邱、涞源、阜平等城，截断了忻口之敌与后方的联系。第120师在晋北、晋西北进行了几十次战斗，几度占领雁门关，截断了大同、雁门关一带的日军交通补给线。第129师进军代县，在忻口日军阵地后方袭扰，给忻口日军造成威胁。
忻口的战斗在激烈进行，中国守军上下一心，不怕牺牲，但是，在日军优势装备面前，中国军队明显处于劣势。中国军队没有空军，支援高射炮又很少，日机大摇大摆地在中国守军阵地上空俯冲扫射、投弹，守军伤亡惨重。卫立煌接二连三给南京发电，要求派空军前来助占。
守军眼巴巴地眺望天边，盼着涂有青天白日的中国空军飞机出现。左等右等，南面天边终于出现了3个小黑点，接着又是3个。6架飞机呼啸着掠过中国守军的头顶，向日军阵地俯冲投弹，日军阵地顿时腾起阵阵炸弹爆炸的浓烟。
还没等中国守军阵地的欢呼声落地，成群的日机像蝗虫一样围了上来，中国空军飞机一看寡不敌众，掉头就跑，从此再也不露面了。日军飞机从此更加肆无忌惮。
八路军129师769团24岁的陈锡联团长来到代县以南的滹沱河东岸，见日军飞机从早到晚不断从附近飞往忻口轰炸，就化装成老百姓，亲自下山去侦察。一出沟口，就看见了日军新建不久的阳明堡临时机场。于是，决定夜袭机场，炸毁敌机。
10月19日夜里，八路军1个连趁黑夜突袭日军机场，将停在机场的24架飞机全部焚毁。
从此，中国守军阵地上一连数日见不到日本飞机肆虐的影子，在一段时间内解除了中国守军的空中威胁。卫立煌对八路军的战绩赞不绝口。阎锡山也以第2战区司令长官的名义对八路军明令嘉奖。
日军自忻口战役开始以来共发起6次总攻，中国军队凭着血肉之躯抵挡日军的飞机大炮，付出了高昂代价。陈铁的第85师是卫立煌的最基本的队伍，也是忻口战场上中国方面装备最好的1个师。从左翼调到南怀化正面以后，日军发现从没见过的戴钢盔的中国兵来了，集中空军的炮兵猛烈轰击。打了几天，最后只剩下1营人了。
但是从10月24日开始，战场形势发生了变化，日军出动的战车大为减少，炮击也减少了。虽然又有飞机出动，但是只是向日军阵地空投军用品。
原来，因为八路军在敌后切断了日军的后方供应线