黄绍竑到任后，阎锡山即委派他全权负责娘子关的防务。当时娘子关方面的兵力已有6个师：陕军冯钦哉两个师（30、31师）和赵寿山的一个师（17师），部署于娘子关以北至龙泉关之线；中央第3军曾万钟的3个师守娘子关以南九龙关、马岭关之线。宽约150公里都是一线配备，没有重点，也没有机动部队，敌人如突破一点，则全线动摇。黄绍竑把这些情况报告阎锡山，阎接受他的建议：将正转调太原的原26路军孙连仲的两个师调回娘子关作预备队。
黄绍竑作为战役总指挥，在娘子关凑足了8个师。但他所指挥的8个师，却仅具某种"理论意义"：左翼的冯钦哉部不知消息，右翼的曾万钟方面也失去联络，只有防守娘子关正面的第17师师长赵寿山总还算见了一面。
黄绍竑不甘心如此寂寞，每日架起无线电台向冯饮哉联络,但一直到娘子关失守，都未联络上。
11日，日军进到井陉与在此警戒的中国军队一部接触。黄绍竑急令右翼第3军向娘子关靠拢，主力集结于大小梁家。12日晚，日军突破井陉南刘家沟守军阵地，占领井陉，13日晨攻占旧关，当日夜，中国第17师所部向长生口方向日军反击，曾克复刘家沟、长生口和井陉南关车站，但因娘子关以东雪花山失守，第17师反攻未逞，退守乏驴岭。14日拂晓，第26路军第27师两个团向占领旧关的日军反击，将该部日军压缩到核桃园东南高地。当日，日军一部由娘子关以北洪子店西进，在六岭关附近被守军第4旅击退。15日，日军一部突入旧关。这时，阎锡山限令黄绍竑和第3军军长曾万钟于16日消灭旧关附近日军。当日夜，第27师和第3军一部将旧关的日军包围。日军一部增援。双方展开激战，至20日，形成对峙。
日军华北方面军司令官寺内寿一于20日令第20师团向阳泉地区进攻。当日，第20师团以右纵队攻击井陉、新关、固驿镇方面及以北的守军防御阵线；以左纵队沿横口、测鱼镇、固驿镇向娘子关正面守军后方迂回。当日拂晓，日军右纵队在飞机支援下向娘子关正面守军展开攻击，战至22日，守军伤亡极重，即缩短战线于当日夜间转移至神仙洞、绵山、苇泽关、宋家岩底一线阵地。
这时孙连仲部，已经转守正太路与娘子关一带防线，因此与日军20师团发生激战。孙连仲部在10月22日，成功地包围在关沟的日军第77联队，造成几乎全歼日军的辉煌战果，日军第20师团也受阻于娘子关一带。于是香月清司只有再下令，抽调日军的109师团的部队，由北方的侧翼攻击中国军队阵地，以支援第20师团，这使得中国军队在娘子关的作战，受到日军两路的包围。
23日，日军左纵队由横口车站渡甘陶河，尔后向西南前进。24日，该部日军由南障城、测鱼镇方面进攻，在七亘村与八路军第129师一部发生战斗。25日，守军第3军将其右翼过分突出的部队向娘子关靠拢，主力控制于固安驿。新进入前线的川军第122师占领马山村东方高地，准备阻击西进迂回的日军。日军乘第3军右翼部队移动，第122师尚未到达马山村之际，突然袭击，攻击固驿镇右侧背。
这时，日军已迂回到娘子关正面守军的右后侧。黄绍竑请示阎锡山后，将娘子关一线守军主力后撤。除第26路军留一小部守娘子关外，其余部队退至巨城镇、移稂镇一线。26日，日军占领娘子关，将右纵队改为右追击队，左纵队改为左追击队，以阳泉为目标发动追击。阎锡山已无兵增援正太线，便电八路军朱德总司令，着第115师和第129师速开往阳泉，归黄绍竑指挥。八路军第129师已于10月18日进至平定地区，22日至28日先后在长生口、东石门、马山村、七亘村等地打击日军，取得一定胜利。接着八路军总部率第115师由五台地区南下，支援正太路作战。
28日，日军尾追中国撤退部队，进占巨城镇。在移稂、石门口一线，日军展开猛攻，守军阵地多处被突破。当日下午，蒋介石电令正太线守军在寿阳以东地区坚守待援。但从28日起，正太线守军各部在日军追击下，节节败退。这时，虽有川军一部增援，但已不能扭转溃退局势，截至30日，部队已败退至寿阳附近。日军于29日占领平定，30日占领阳泉。31日，蒋介石令第一战区抽调位于冀南的汤恩伯军团参加晋东作战。汤率第13军经涉县、昔阳、平定前进，攻击日军侧背，但为时已晚。日军华北方面军为增强正太线上进攻的兵力，将第108、第109师团使用于正太线方面。30日，第108师团第104旅团配置在获鹿、微水间。第109师团于11月4日出发，沿昔阳向榆次前进。11月2日，日军攻占寿阳和昔阳。
黄绍竑即令正太线上的部队撤退至太原外围东山及其东南地区。这时八路军总部率第115师进抵寿阳东南地区，4日在广阳地区打击向榆次进攻的日军，消灭其近千人。7日，第129师再战广阳，给西进日军以有力打击。此时正太路后撤的军队已经溃乱。日军迅速进至太原城外围，与由晋北南下的日军会攻太原。
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