组织太原会战，抵抗日军侵略的是国民党第二战区司令官阎锡山。他知道日军欲取山西北大门——大同，便集结重兵准备与日军决战。板垣征四郎采取迂回战术，先集中兵力攻占阳高、聚乐堡，使大同的中国守军侧翼暴露。面对这种状况，阎锡山对是否与日军决战大同举棋不定。9月13日，大同守军弃城而逃，日军不战而取大同。
占领大同后，日军右翼沿同蒲铁路南进，左翼在板垣征四郎的指挥下，进攻平型关等要隘。
板垣先命令所属第二十一旅团及第十一联队攻打广灵。拿下广灵后，板垣又命令部队继续向浑源与灵丘方向进逼。14日，由于华北方面军主力开始攻打保定，寺内寿一命令板垣师团主力迅速转入保定作战。板垣接到命令后仍命令所率第二十一旅团向山西方向进攻，在攻克灵丘后，随即将目标指向大营。
大营，位于恒山与五台山之间的滹沱河北岸，东距平型关仅15公里，自古便是屯兵重地，攻下大营，则太原指日可待。平型关是长城南端的重要关隘，横亘于灵丘与大营之间，地势险要，公路两侧均为山地，为河北、山西两省之交通要道。要占大营，必先取平型关，但如果孤军深入，则可能在平型关遭到围歼。
板垣征四郎虽然清楚这些，但从他率军以来，日军所到之处从未受到什么顽强抵抗，所以求功心切的板垣决定冒险一试。
这次，板垣征四郎失算了!
9月21日，板垣征四郎令第二十一旅团主力从灵丘出发，进犯平型关。22日傍晚，日军向国民党守军平型关阵地发动猛烈攻击，两军展开激战。23日，傅作义奉阎锡山之命率预备队增援，日军进攻受阻。板垣故伎重施，命二十一旅团分兵迂回，其一部就踏入了八路军一一五师的伏击圈。
八路军一一五师在平型关东北的山地设伏，准备战斗24日深夜，林彪、聂荣臻所率一一五师3个团冒雨埋伏在平型关东河南镇以北公路两侧的山地，严阵以待。25日拂晓，板垣师团第二十一旅团第二十一联队第三大队和旅团辎重部队，满载日军和军用物资进入平型关东河南镇山地。100多辆军车在前开路，又有200余辆马车在中，少数骑兵殿后，一行人马一进入八路军的伏击圈便被迎头痛击。
八路军居高临下首先向日军中部发动攻击，用手榴弹将最后的一辆军车炸毁，截断了前面军车的后路，再将敌军从中间截为两段，使其首尾无法相顾，受到伏击的敌军乱作一团。乘敌人混乱之际，八路军立即对敌发起猛烈冲锋。陷入绝境的日军犹作困兽之斗，两军展开了短兵相接的肉搏战，战斗十分激烈。经过一天的激战之后，八路军一举歼灭板垣师团千余官兵，击毁军车百余辆，缴获了大批武器和其他军用物品。平型关大捷是中国抗日战争开始后取得的第一次大胜利，它打破了“皇军”不可战胜的神话，重挫了日军的嚣张气焰，振奋了中国军民的抗日士气。
板垣在平型关受挫后，华北方面军司令官寺内寿一命令他率部沿同蒲线向南推进，与沿正太线西进的第二十师团夹攻太原。
板垣师团要取太原，必须先取太原北面最后一道屏障——忻口。忻口乃军事要地，从南向北看，忻口呈倒八字形，真有一夫当关，万夫莫开之势，守太原，必守忻口。
第二战区副司令长官卫立煌任前线总司令，率三个兵团14个师，约8万兵力，把守忻口。10月13日，板垣师团为左翼，在右翼的配合下，猛攻忻口。两军激战，中国守军多次击退日军猛攻。至10月下旬，忻口中国守军歼灭日寇两万多人。同时，八路军为配合忻口作战，深入敌后袭击日军机场、交通线和后方目标，日寇腹背受敌、陷入泥潭。
板垣师团久攻不下忻口，且死伤惨重。华北方面军司令寺内寿一飞抵忻口前线督战，并严令第二十师团猛攻娘子关。第二十师团攻下娘子关后，沿正太路西进。在第一○九师团配合下，于11月2日攻占昔阳，进逼太原。
11月5日，板垣师团到达太原北郊，完成了对太原的包围。次日，猛攻太原。傅作义率军固守孤城，苦战三日后被迫退出太原，向西突围。当晚，日军攻占太原，板垣终于在大本营那里多少挽回点面子。同时，以太原失陷为标志，华北会战宣告结束。
日军占领上海、南京之后，日本统治集团更妄图以军事手段立即征服中国。日军急欲沟通南北战场，打通津浦铁路线，进而击破陇海铁路沿线的中国部队的防线。然后，华北日军和华中日军南北并进，会师武汉。为此，日军统率部决定分南北两路沿津浦线并进，先占领徐州。
1938年3月，板垣师团前往青岛，参加徐州会战。板垣率第五师团计划由青岛出发，先向西拿下潍县，然后南取鲁南军事重镇临沂，再与沿津浦线南下的日军会合，攻占台儿庄，最后会攻徐州。
负责徐州会战的是国民党第五战区司令长官李宗仁。李宗仁命令张自忠率第五十九军赶赴临沂，阻止板垣向台儿庄挺进，打消其会攻徐州的企图。张自忠在出发前号召全军将士与日寇血战到底，雪洗七七事变时兵败丧土之耻，以“求得国人之谅解”。张自忠制定了以攻为守，从敌侧背出击的策略。在战斗中，张自忠亲临前线持刀督战，官兵们士气高涨，与敌人短兵相接、浴血鏖战。五十九军在张自忠的指挥带领下，两度击败号称“铁军”的板垣师团，挫败了日寇攻占台儿庄的计划，拖住板垣师团，为友军围歼孤军深入的矶谷第十师团，赢得了宝贵的时间，最终赢得了台儿庄会战的胜利。
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