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(一) 石家庄附近战斗
正太铁路系由河北省正定西入晋境到达太原的铁路，是由平汉铁路之石家庄西入娘子关，经寿阳、榆次而抵太原的晋、冀间惟一捷路，而石家庄正是进入晋东的枢纽。
当日军突破第二战区部队内长城防线、决定向太原进攻之际，在平汉路北段作战的第一战区部队正在向石家庄地区撤退。蒋介石为确保山西战略要地，调第14集团军入晋参战。新任第一战区司令长官的程潜即以第26路军和第20集团军沿滹沱河两岸布防。10月6日，蒋介石又调第26路军入晋增援。第一战区即再次调整部署如下：
1 商震的第20集团军辖第32军、第53军、第17师、第47师及独立第46旅、骑兵第4军、独立炮兵第6旅一部、独立炮兵第7团，担负陈村(不含)以东沿滹沱河阵地的防守，为右翼军。
2 冯钦哉第14军团辖第3军、第38军的教导团、独立炮兵第7团的1个营，担负陈村以西沿滹沱河阵地的防守，为左翼军。
3 宋肯堂第141师辖鲍刚第46旅固守正定。
4 黄光华第139师担负石家庄及以北地区的防御。
5 吴克仁第67军辖第89、第107、第108师，担负新河及南宫之守备。
此时骑兵第3军在深泽，第53军在安平、饶阳地区防守。
在平汉路北段作战的日军攻占保定之后决定继续向石家庄进攻。9月28日，香月清司下令：
1 第20师团由完县经唐县、曲阳、行唐进至灵寿以西地区，渡过滹沱河，攻占石家庄以西正太路之井陉车站，切断守军进出山区之通路，以一部兵力迂回至石家庄以西、以南地区，尔后攻占石家庄。
2 第14师团由保定沿平汉路西侧进至石家庄以西地区，并准备沿平汉路向邢台追击。
3 第6师团攻占正定、石家庄后进至石家庄以南地区，主力进至赵县附近，并以一部逼向宁晋、柏乡地区。
4 第108师团沿第6师团进攻路线扩张战果，并进至束鹿附近。
香月清司除采用由东西两侧迂回包围战术外，还将重炮兵部队及渡河工兵部队配属给第6师团，使其主要负责攻坚；将全部战车部队及4个汽车中队配属给第14师团，使其主要负责追击。
日军第1军各部于10月1日起开始向石家庄进攻，3日到达曲阳、定县一线。这时得到在石家庄附近发生流行性霍乱病的情报，于是在这一线停留了数日，为部队接种霍乱疫苗，然后从6日开始，第14、第6、第20师团并列沿平汉路及其右侧展开，向石家庄进攻。7日，日军第201师团在灵寿地区的金山里与守军第27路军(第14军团)向慈峪镇游击的第505旅部队遭遇，展开战斗。第505旅遭到很大伤亡后撤退。日军第14师团进到正定西北，第6师团进到正定东北。8日，日军向正定发起攻击，守军第32军第14师英勇抵抗。日军第6师团以加农榴弹炮、山炮集中轰击正定城。在猛烈火力的轰击下，县城东、西、北三面城墙数处被毁。接着，日军在烟幕弹掩护下突入城内，与守城的第32军第141师展开巷战。此时，城内、城外战况均异常激烈，守军官兵前仆后继，英勇抗击，伤亡奇重。旅长唐永良、林作桢受重伤，团长王成桂、营长张任夫英勇牺牲。同日18时，各部队先后撤出正定，向铁桥附近集结，正定陷落，其以西的灵寿也失陷。
10月9日晨，第141师宋肯堂师长余部向正定城日军发起反击，未能奏效，撤至高迁村一带整顿。日军随后进迫，并向守军滹沱河右岸阵地炮击。12时，日军2000余人在大、小林济附近集结，另一部由正定城南向滹沱河左岸运动。守军警戒部队撤回右岸。是夜，第一战区为确保实力，将兵力转移至元氏、高迁、井陉一线的预备阵地，第53军向宁晋方面转移；第20集团军以一部留滹沱河右岸拒止敌人，主力移至元氏、高邑一线。程潜按照蒋介石意图，令冯钦哉率第27路军、第3军、第17师、第30师和第38军教导团向娘子关方面预定阵地转移。
在津浦路北段作战的日军第2军攻占沧县后，遵照“华北方面军”的命令，将第16师团和第109师团转用于平汉路方面，策应第1军进攻石家庄。10月4日，该两个师团从献县、武强分3路向石家庄以南平汉路以东地区前进。第109师团为北路，经深县、束鹿至赵县以东，尔后左转南下，经柏乡、任县向南和地区前进；第16师团率第30旅团为中路，经前磨头至宁晋，尔后左转南下，经隆尧、平乡向南和地区前进；第16师团的第19旅团为南路，沿滏阳河经衡水、新河向平乡地区前进。第109师团及第30旅团在前进途中，于6日、8日分别在深县以东的西五村及束鹿以南的百尺口，遭到第53军第130师的短时阻击，于9日进至深县、百尺口一线。
10月10日拂晓，平汉铁路正面的日军第1军主力分左右两翼强渡滹沱河，先以炮兵向滹沱河右岸南十里铺、陈村的第139师留置部队轰击，继又施放烟幕弹，从陈村、杜童村强渡滹沱河，向第139师左侧背迂回。其后，日军在炮火掩护下，渡河成功，全线发起进攻。守军三面受敌，终因寡不敌众，入夜向董保村、元氏转移。14时，日军第14师团占领了石家庄。
日军占领石家庄后继续向南追击，13日占元氏，14日占内丘，15日占邢台，17日占邯郸，18日到达漳河一线。日军“华北方面军”令第1军在邢台以北地区集结，准备向安阳进攻，但此时忻口方面的第5师团已陷入苦战的窘境，“华北方面军”被迫调第1军主力一部转用于正太线，以便迅速突破该线上中国守军的防御，进入榆次地区，协同在忻口地区作战的第5师团会攻太原。
日第2军于10月10日向第53军及骑兵第3军的阵地进攻，第109师团在辛集地区曾遭到第53军的抗击。当晚，第53军及骑3军向南撤退。日军于12日进到宁晋附近，接着于16日进占南和。此后，第109师团集结在邢台东北地区，和在宁晋地区集结的第16师团作为方面军的直辖部队。
这样，中国第一战区部队与日军仅进行了零星的战斗，便放弃了石家庄南北广大地区，退向冀南和豫北；而日军从容地集结休整，并无后顾之忧地派主力一部沿正太路向娘子关进攻，协同晋北作战的日军会攻太原。
(二) 娘子关附近作战
娘子关位于晋、冀两省交界之处，是正太铁路上的重要关隘，为由东部进入太原的咽喉。日军如攻占娘子关，则不仅可以西进太原盆地、切断山西的南北交通，而且可以保障其沿平汉路南下翼侧的安全，所以娘子关为中日双方必争的战略要地。
当日军攻占正定、紧逼滹沱河北岸时，第一战区司令长官程潜令冯钦哉率第14军团、第3军、第17师、第30师及第38军教导团向娘子关方面预定阵地转移，掩护第二战区的右侧。
10月10日晚，第二战区副司令长官黄绍?赴娘子关指挥，并策定作战计划如下：
一、 方针
为确保山西、将来收复华北失地容易、使我晋北作战军无后顾之忧起见，以第一战区由保定南移之部队进占娘子关一带山地，确实保守之，并相机进袭石家庄，威胁由平汉路南进之敌军。
二、 指导要领
1 开战之初，应于雪花山前进阵地配置强有力之部队，以迟滞敌之前进，并掩护主力部队迅速占领阵地。
2 主力在北青掌、梁家垴、旧关、核桃园、乏驴岭、大台山之线占领阵地，总预备队分置于槐村铺、好汉地、娘子关附近，以应援各方之战斗。
3 为防遏敌人由我阵地右翼迂回攻击，在西回村、张家垴、南垴沟、神仙洞、娘子关之线择要构筑预备阵地。
4 如敌由核桃园方面进攻时，该处部队应竭力阻止其前进，娘子关之预备队由核桃园之右翼袭击其侧背，以期击破其攻击能力。
5 为防万一计，在桥头村、城子岭、四穰镇、东道沟、上董寨之线构筑阵地，准备尔后之作战。
10月6日，日军“华北方面军”指示第1军在进攻石家庄的同时，以一部兵力沿正太路向太原方向追击，用以策应第5师团的作战。因而，日军第20师团决定以第39旅团的第77联队，附山炮兵2个中队作为师团的右翼支队，沿正太路西进，紧跟向西转移的中国军队追击。其具体部署是：以第77联队第1、第2两个大队，附山炮兵两个中队，迅速占领井陉，并向娘子关攻击，求得夺取娘子关。该联队的第3大队主力经井陉北的南陉向贾庄、东王舍中国守军佯攻，第3大队另一部于井陉南沿金珠、大尖山向南北障城地区袭扰、钳制守军，配合攻击娘子关的联队主力作战。另由第78联队派出以两个中队为骨干的钳击分队，在贾庄北方地区渡过滹沱河，向洪子店地区袭扰。
10月11日中午，黄绍?在井陉第14军团指挥部命令第17师以一部到南河头警戒，第30师以一部在南陉、上庄之线向北警戒，第3军向井陉靠近，主力集结在大、小梁家。由于布置已晚，第30师东、西王舍及小枣庄以西阵地均已遭日军攻击，其余部队也未及时按上述命令行动。因雨后路滑，并有敌军飞机轰炸，第17师于17时方抵达井陉东北附近。此时恰与日军先遣分队遭遇，该师迅速占领阵地。与此同时，第3军在金珠附近的警戒部队也与日军发生战斗。
12日拂晓，日军在飞机炮火的支援下对守军阵地发起进攻，第17师正面阵地上的战斗尤其激烈。17时，该师右翼刘家沟附近阵地被日军突破。守军第49旅向乏驴岭及旧关方向逐次后撤。18时，井陉县城也被日军攻陷，娘子关受到严重威胁。
阎锡山为固守娘子关，急令正向太原输送途中的孙连仲第26路军(第1军团)回援娘子关。孙连仲当即率第42师和独立第44旅东返，当日20时抵阳泉。黄绍?命令：
１． 以第27师之一部占领北峪南北高地之线，其主力在娘子关附近阵地，支援第17师作战；师主力集结于娘子关附近，归黄副长官指挥。旧关为要道，在第3军来占领前，该师须派队切实占领。
２． 第31师(欠第92旅)集结于阳泉附近待命，第92旅随总部行动。
３． 第44旅速向六岭关推进，并相机占领之。
12日傍晚，日军突破第17师右翼刘家沟附近阵地之后向西进攻，又相继占领长生口、大小龙窝，于13日晨进至核桃园，逼近旧关。此时，冯钦哉以旧关防务空虚，于5时20分派工兵营、特务连驰赴旧关，阻止日军西进。该营及特务连刚到旧关即遭日军猛攻。日军的多次进攻被击退。14时，日军攻陷旧关，并继续向关沟前进。守军退到旧关以西高地继续抵抗。第27师师长冯安邦率驻程家庄的第100团以一部急赴旧关阻击西进的日军，主力于16时向旧关以南前进，威胁日军左侧。冯师长还令第79旅黄樵松部据守1000高地的部队秘密向前推进，以断日军退路，令师直属工兵营、骑兵连、辎重连接替第80旅第160团防务，分任通旧关的各道路之警戒。
正太路第17师正面日军在攻陷井陉后，于13日拂晓向雪花山守军阵地攻击，守军奋勇阻击，日军未能得逞。第17师师长赵寿山为保住雪花山阵地，决心趁夜转移攻势，令第51旅第102团第1营固守雪花山，补充团第2营固守乏驴岭，第101团第2营固守荆蒲关，其余为攻击部队，限于17时部署完毕，17时30分开始行动。22时，第49旅第98团团长陈际春率领补充团第1营及该团余部攻占刘家沟、长生口阵地。第101团第1营于24时攻进井陉南关车站。同时，第102团第2营亦进至李家河西。正当第17师攻击部队进展顺利之际，不意雪花山阵地被日军一部攻占。赵寿山师长立即增调攻击部队向雪花山反击。鏖战至拂晓，第17师伤亡逾千，阵地仍未恢复。赵师长乃率残部向乏驴岭撤退。他将残部约1000人编为7个营，在乏驴岭、北峪、荆蒲关一带守备。经查，第102团团长张世俊、第1营营长魏炳高由于指挥疏忽，贻误战机，丢失雪花山阵地，影响了整个战局，赵师长依战时军律，将张、魏二人就地正法。
日军两日来连续向第30师张金照部进攻，均未获进展。13日上午，日军大部南移，仅留小部于原地与第30师对峙。
当旧关、雪花山战况紧急之时，黄绍?令第3军军长曾万钟主力向右转移，策应第17师作战；令第12师唐淮源率部由南、北障城向大、小梁家前进，经新关驰赴旧关；第7师(曾万钟兼师长)第19旅李世龙部进驻西青村、骆驼坛，为机动部队；第21旅沈元镇部仍占领九龙关、白城口、雁过口阵地拒止日军；第3军军部进驻马山村。13日夜，第35旅及补充团到达新关；当日奉命在该地以东、以北地区设防的第169师此时也已在指定地区部署完毕。
(三) 旧关反击战
1 第一次反击
10月14日，阎锡山根据娘子关附近的地形和正面日军的情况变更部署：第3军派3个团在九龙关、北孤台之线设防，其余在旧关西南集结，歼灭旧关之敌；第94师及第177师之第529旅占领黑山关、龙泉关一带阵地；第26路军(第1军团)派1个团扼守六岭关；第27师在娘子关集结，并以重兵进占葛丹阵地；第30师以1个旅进占桃林坪、小枣之线阵地；第31师速由阳泉至程家铺，为预备队。
当天10时，阎锡山复致电五台山第18集团军总司令朱德：着令在开进中的第129师(欠10个团)师长刘伯承率部迅速开赴阳泉，归副司令长官黄绍?指挥。
14日拂晓，孙连仲根据13日晚在苇泽关视察时得知的当面情况，命令第27师第79旅第157团向旧关日军反击；第80旅的1个团向新关推进，支援旧关方面作战，另以1个团位置于苇泽关，由第42军军长冯安邦直接指挥。
为阻日军西进并威胁日军左侧背，第27师师长冯安邦(兼)曾于13日16时令该师第80旅第160团向旧关及其以南地区前进。当该团到达新关时，该地已由第3军补充团占领，冯安邦即令第160团返程家庄原防。因孙连仲的上述命令，冯安邦再令该团向新关推进，于14日拂晓前部署完毕。第79旅旅长黄樵松当即命令第158团以第1营守备地都阵地，主力于14日拂晓由苇泽关向核桃园攻击。第157团派1个营于14日拂晓向大、小龙窝日军攻击。该营进展至与第158团会合后，即受第158团团长杨守道指挥，协力歼灭大、小龙窝至核桃园的日军。
当第12师第35旅及补充团在13日夜到达新关时，旧关日军(约1000余人，附炮67门)对新关发动攻击。第35旅官兵将其击退。14日，日军再攻甘桃驿。第35旅奋勇反击。日军退据旧关东南高地。第27师出击部队曾一度袭占核桃园及大、小龙窝，但被日军击退。由旧关侵入关沟的日军千余人，于9时与地都守军发生战斗。此时，第158团杨守道团长决心以其第3营侧击关沟日军，以第2营向旧关日军压迫，并以火力截断旧关至关沟的交通。黄樵松亦令第157团的1个营在地都东南地区堵截逃敌。经两个多小时的围歼战斗，关沟日军大部被歼，残余日军多散伏于山崖草莽间。
15时，旧关日军一部为解关沟日军之围，在炮火掩护下向第158团第2营阵地猛攻；第2营予以反击，使日军仍退回旧关。
在12日经洪子店西进的日军于14日在六岭关附近与第44旅遭遇，激战4小时后日军向东败退。第44旅进占六岭关后即与第18集团军在夏口及洪子店一带的部队取得联络。至此，守军右侧的威胁被解除。
日军第20师团第39旅团旅团长高木义人鉴于第77联队虽然攻占了雪花山与旧关，但在作战中部队受到很大损失，而且在旧关方面陷于苦战中，便于14日夜间派第78联队的步兵1个大队、山炮兵1个中队增援；旋又奉第1军司令官的命令，将第78联队的全部和加农榴弹炮兵1个大队西进，增援娘子关地区的日军部队作战。
10月15日拂晓，第3军第12师唐淮源部向五家岭及旧关东南地区的日军发动攻击。第27师第157团及第158团之一部继续扫荡关沟附近的日军。旧关日军为解关沟日军之围，乘晨雾弥漫时向第158团第2营发动猛烈攻击。15时，日军500余人由井陉经大、小龙窝向旧关增援。虽经守军截击，但未能将其阻止，日军仍进入旧关。入夜后，第3军第12师第34旅袭占核桃园；第35旅朱淮部攻占旧关东南高地，并继续向旧关以东高地的日军攻击；第27师将由旧关出援关沟的日军逐向旧关。两日内，守军于旧关附近歼灭日军500多人，但旧关日军仍控制高地，并在飞机、炮火掩护下不断组织反击。
日军“华北方面军”为了使航空兵更好地支援其第1军及第5师团的作战，于15日将航空兵团指挥所从北平迁至石家庄，并将其第5、第6、第9三个轰炸机大队全部调至石家庄附近各机场。
15日1时，阎锡山指示黄绍?、孙连仲及曾万钟：(一) 娘子关附近作战，交孙总司令指挥；(二) 限16日将旧关之敌完全解决，并赏洋5万；(三) 总司令及军长均应亲身严行督战。
2 第二次反击
由于雪花山、旧关一带国防工事多被日军占领，而且旧关日军又调来援兵，后续部队仍由井陉源源西进，战局至为紧张。为在援军到达之前稳定态势，黄绍?于15日19时下达命令：第3军为攻击主力，对旧关之敌攻击；第27师限今日(15日)将关沟之敌肃清，以主力在龙窝附近断敌后方联络，一部协同第3军会攻旧关；第27路军工兵营附辎重兵营、第17师、第21师第92旅(欠1个团)固守原阵地地都堵击敌人；第30师抽兵2个团，协同第17师坚守乏驴岭。
由于正太线上的战斗主要集中在旧关进行，所以日军增援的后续部队第78联队主力全部使用在旧关方面。15日夜，第78联队到达旧关地区，步兵第39旅团长高木义人进至井陉指挥作战。
16日拂晓，守军对旧关日军开始发动反击。日军也在炮火掩护下出击。双方激烈交战。昨夜袭占核桃园的第34旅，在日军猛烈炮火及日机连续轰炸下无法固守，被迫退回旧关东南高地。8时，第27师的第157团将关沟附近日军肃清。正午，日军将守军工兵营阵地突破。适奉命增援的第38军教导团赶到，与工兵营一起激战到20时，将突入的日军击退。双方激战终日，旧关仍在日军手中。当夜第26路军所辖第30师派队向井陉出击，亦未能奏效，于17日拂晓撤回。
3 第三次反击
占领旧关的日军以其优势装备，利用守军原筑国防工事坚守。中国军队连日艰苦反击，但未能将其击退。为确保晋东门户、进出井陉、夺回石家庄、截断沿平汉路南下日军的退路，孙连仲决心击破当面之敌，再次组织向旧关反击。
16日20时，根据黄绍?的意图，孙连仲命第3军以一部封锁大小梁家、北洋沟、红土岭各要点，阻敌后续部队前进；命第27师以有力一部占领长生口及大、小龙窝附近，协同敌后的工兵营向旧关的日军反击。命各部队于17日拂晓开始反击，务求将敌包围歼灭。
为策应各方面作战，孙连仲又令第27师第30旅第160团的主力集结于苇泽关附近，令第31师池峰城部集结于程家铺，为总预备队；令第30师主力转移东、西葛丹附近，第42军第44旅移阳泉待命。
10月17日2时，第38军教导团首先向黄石嘴以西日军攻击，战斗约1小时后攻占日军阵地右翼，因日军顽抗，形成对峙。拂晓，第3军第12师第35旅从甘桃驿向旧关东南攻击，第42军第27师之一部向旧关之北攻击。9时，日军凭借飞机支援，分向旧关以西及地都一带守军阵地进攻。双方激战至傍晚。入夜后，第3军第34旅及第19旅各1个团、第35旅之一部及第27师第79旅的2个连分向长生口、大小龙窝、核桃园及旧关一带袭击。激战竟夜，双方伤亡均甚重。守军无重大进展，于18日拂晓撤回。
18日2时，第31师派1个团接替损失惨重的第38军教导团的阵地。拂晓，日援军800余人到达大、小龙窝以南山地，与旧关日军互为呼应，分向第31师黄石嘴、第27师关沟及1000高地进攻。激战终日，由于守军顽强阻击，日军未能得逞。
傍晚，因第159团伤亡过大，该团归还第80旅建制，其阵地由该旅160团接替防守。
黄绍?决心夜袭旧关，令第30军第31师以敢死队进入旧关市内扰乱敌后，以有力部队从第79旅第158团第2营的正面出击，攻至旧关通苇泽关的大道为止，并加以固守；第12师向旧关以南及西南攻击；第27师竭力牵制当面日军，并注意切实截断核桃园敌之归路。孙连仲令原在东、西葛丹的第88旅移驻娘子关附近，以备增援第31师。
19日2时，各部队开始攻击。第31师一部冲入旧关，经激烈肉搏和巷战后，日军退据旧关以东高地顽抗。拂晓后，日军援兵到达，向旧关反击，第31师突入旧关的部队被迫撤回原阵地。8时，第35旅一部协同第31师攻占旧关东、西两侧高地，另一部向旧关以东进攻。战斗至14时，日军轰炸机10余架对反击部队反复轰炸，迫使各部队暂停攻击。18时，反击部队乘夜幕即临、日机飞走之际，再兴攻势。第34旅及第19旅第37团将核桃园附近地区攻占，并以火力将通往旧关之路封锁。第30旅迅速占领了核桃园，并以第159团郑云奇营向旧关挺进，企图乘势肃清旧关日军。此时，因他方面友军动作未能协同，孙连仲命第80旅部队撤回地都原阵地。
第17师当面的日军自13日夜攻占雪花山后即转移兵力抵抗守军对旧关一带的反击，仅有一部在雪花山一带与第17师乏驴岭守军对峙。日增援部队到达后，于19日4时向第17师阵地发动全面进攻。天明后，日军在轰炸机的援助下，攻击更加猛烈。激战到13时，乏驴岭守军官兵伤亡很大，南阵地被日军攻占。第49旅耿介志旅长率余部50多人退到北阵地，与该阵地守军协力战斗。15时，荆蒲关阵地守军伤亡过重，只剩30余人，苦战到黄昏后，即向葛丹、常坪撤退。荆蒲关失守后，致使乏驴岭北阵地三面受敌。耿介志旅长在守军伤亡殆尽、弹药不继、援兵未至的情况下，不得已率余部100余人退到北峪、庄头附近，稍息后赴神灵台附近收容。
正当守军在旧关及乏驴岭一带与日军酣战之际，黄绍?将部署作了调整：令第26路军(第1军团)、第3军、新编第10团归由孙连仲指挥，负责肃清旧关、核桃园、大小龙窝、长生口之敌及侧鱼镇一带之警戒任务；令第17师、第38军教导团及第27路军(14军团)归由冯钦哉指挥，担负防守第17师现阵地与其以北亘曹泉、胡寺、观音陀山之线，并注意洪子店方面的警戒；第30师交替完毕后，应集结于东、西葛丹附近，归还建制。
守军与敌连日交战，虽毙敌甚众，但日军援兵不断增加。守军伤亡减员5000余名。平汉铁路元氏方面日军大部虽已北撤，但其一部仍集结于百家庄附近，显有从正太路西进的企图。守军兵力已全数使用，无另外的控制部队，黄绍?遂令第44旅即由阳泉向娘子关输送，到达娘子关以西的城西村附近集结待命。
19日14时，孙连仲接到黄绍?的上述命令时乏驴岭已经失守，第17师已西撤。由于娘子关一带铁路线极为重要，孙连仲乃令第30师的第88旅连夜转向南峪、北峪一带阻敌西进。
冯钦哉接黄绍?的命令后，即令第42师接替第30师阵地，令第169师留1个营的兵力于南冶里对东北警戒。其司令部由磨河滩进驻沙井村。
(四) 娘子关失陷
10月中旬以来，日军第20师团除第39旅团以逐次增兵方法进攻娘子关外，主力集结在石家庄南休整。10月19日，日军第1军遵照方面军的指示，命令川岸师团长以全师团兵力攻击娘子关，攻占阳泉、平原。
日本“华北方面军”在这时向第20师团下达攻占阳泉的命令，这是由整个战局的发展所决定的。
日军自展开所谓“10月攻势”以来，在华中地区的作战并不顺利。在淞沪这一有限的地域内它已投入了5个师团的兵力和原驻上海的海军陆战队，可是依然进展不大。如不再增加援军，很难取得胜利，而新组建的兵力有限。所以决定再从国内和华北抽调兵力增援华中地区作战。日军大本营指示华北方面军迅速完成津浦、平汉路的预期作战任务，并夺取太原，准备调整部分兵力支援华中作战。在华北方面，日军在平汉、津浦线方面的作战是比较顺利的，但在晋北的忻口地区则陷入了苦战。因此，方面军命令第1军和第2军迅速进入德州和安阳一线，并于10月19日命令第20师团攻占娘子关，进入阳泉；待第1军主力完成平汉线方面的作战任务后，再抽调兵力投入正太线，以便配合晋北日军会攻太原。
10月20日，川岸师团长下达作战命令：师团决定分两个纵队向阳泉发动进攻，右纵队为步兵第39旅团，指挥野炮兵联队(欠第1大队)、山炮兵联队第1大队、加农炮兵大队(欠第1中队)、迫击炮兵2个中队，继续由娘子关正面攻击守军；左纵队为步兵第40旅团，指挥野炮兵第1大队、迫击炮1个中队，沿微水镇、侧鱼镇、石门口大道前进，进入右纵队正面的敌人背后，其余部队集结于井陉附近。师团部位于井陉。整个师团的行动从21日开始。
10月21日，日军第20师团除原在攻击位置的第39旅团重新调整部署准备再次发动攻击外，师团主力从石家庄地区向西推进。川岸率师团直属队进到井陉指挥作战。
日军第39旅团一部于前1日(20日)在飞机掩护下，向北峪、核桃园、大小龙窝及地都一带阵地进攻。经反复争夺，守军第30师及第27师伤亡惨重，阵地多被突破，仅固守阵地内的高地。
10月21日，日军第20师团右纵队对娘子关守军正面继续发动攻击。占领北峪东北高地的日军继续向第30师第88旅阵地进攻，经战斗后，该旅退至张家洼、溃泉、驴桥岭之线。第30师师长张金照即令工兵营及第89旅派1个营协同第88旅守备。其他各部均有战斗，但双方均无进展。为挽回战局、歼灭入侵日军，孙连仲于15时下达向当面日军袭击的命令：第3军袭击旧关东南高地之敌并占领之；第31师袭击旧关及其西方高地之敌并占领之；第27师除袭1000高地附近之敌外，须与大、小龙窝友军切取联络，并占领核桃园；第30师袭击北峪、东西葛丹之敌，并占领之。
21日夜，各部队遵令行动。战斗终夜，无大进展。第27师因正面日军大量增加，没有发动攻击。
22日晨，日军陆、空军协同向第27师1000高地及第30师溃泉阵地展开猛烈进攻。第30师于21日出袭的第178团于22日8时被日军包围于北峪。该团苦战突围，绕左翼退回。同时，日军又将第30师溃泉阵地突破。该师力阻，加上第169师第505旅于常坪附近侧击，到12时，将该日军逐回北峪附近。
第27师第79旅及新编第10团已伤亡营以下官兵600余名，该旅旅长黄樵松遂令各团余部撤守地都附近阵地。日军继向第3军及第31师正面猛攻，被守军力战拒止。
因日军连日进攻，守军奋力御敌，伤亡惨重，并侦悉日军又增兵400余人(附炮12门)，由东、西葛丹向守军左翼运动，有威胁守军侧背企图。同日15时30分，黄绍?令第26路军即日缩短战线，占领绵山顶至苇泽关一带阵地，阻敌西进。孙连仲总司令接到黄副长官的电话命令后，于20时开始向神仙洞、绵山顶、苇泽关1853高地、宋家岩底之线变换阵地，并于22时致电阎锡山，告知第2集团军自房山、琉璃河起，累经激战，从未休息整补；西移娘子关后连战10余日，伤亡甚重，所存兵力不满6000名，阵地绵亘50余市里，兵力至感单薄，如任何一点被敌突破，即无法应付，请速调生力军增援。时正值从四川调来的第22集团军邓锡侯部刚到太原，阎锡山遂令该部第41军军长孙震率该军由正太路输送至阳泉，归黄绍?指挥。
日军在右纵队继续攻击娘子关正面守军阵地的同时，其左纵队于21日由横口车站南下，22日晚大部到达南、北障城，一部进抵侧鱼镇。增援娘子关的第18集团军第129师刘伯承部，此时已由阳泉向垣村、马山村地区前进中。该师第386旅陈赓部的第778团袭击了日军第40旅团的侧翼部队，使其行动迟缓；23日晨，又在石门口阻击，歼灭日军200余人。长生口、旧关间的日军在空军的支援下向红土岭迄甘桃驿以东第3军曾万钟部阵地攻击。守军英勇抵抗。入夜后，第3军向大、小龙窝及核桃园南端高地一带的日军发动全线出击，给日军以杀伤。第3军经一昼夜战斗，伤团长1员，士兵伤亡约600名。
24日晨，日军在飞机支援下，向守军正面及右翼阵地发动全线攻击。右翼第3军红土岭及其以西阵地上战斗激烈。该军第7师第19旅阵地曾一度动摇，经独立团增援奋战，遏止了日军的攻势。又由于第129师第386旅在马山村、罗鼓寨对日军进行了袭击和伏击，歼敌100余人，日军的进攻势头更被减弱。此时，转隶孙连仲指挥的第41军第122师的第364旅已到达阳泉，奉命增加到右翼，在七家峪、马山村一带占领阵地；第122师的第366旅亦将于次日7时前到达东回镇，增强右翼的防御。日军对正面第26路军的阵地多次进攻，均被击退。
由于右翼阵地增加了第122师，侧翼又有第129师，因此正面第26路军多次击退日军的进攻。左翼第27路军方面，自20日以来除第7军第42师神仙洞附近的阵地常遭日军炮击外，并未发生战斗，所以黄绍?认为娘子关防线已趋于稳定，乃于25日电令第27路军开赴忻口作战，遗防由第26路军派一部兵力警戒。
正当右翼部队调整换防、左翼防守兵力减少之际，日军于25日发动猛攻。第364旅向马山村前进途中，在观山村遭到日军袭击。该旅被迫退至槐树岭迄胡家峪之线防守。第3军阵地被日军突破，一部日军侵入至第3军军部所在地固驿镇附近，经独立团拼死抵抗，暂时遏止住日军的攻势。黄绍?令第122师1个团和第3军一部夹击突入的日军，但未能奏效，第3军右翼的第7师阵地反而被日军突破，该师被迫转移至1314高地迄梁家垴之线。
26日，日军继续向守军阵地猛攻。第129师第386旅旅长陈赓率其第772团在日军后方的七豆村设伏，击毙日军补给部队300余人，缴获骡马300余匹及大量军用物资，但未能阻止日军的进攻势头。当日拂晓时，日军第40旅团已进至娘子关、新关侧后的柏木井附近，严重威胁娘子关。黄绍?在得到阎锡山的同意后，下令守军主力后撤至巨城镇、移穰镇一线，并令转赴忻口增援的第14军留置3个团于巨城镇至东南上、下盘石间，以阻止由娘子关西进的日军，娘子关仅由第26路军所留少数兵力防守。日军乘势进攻，当日占领了娘子关。
(五) 正太线守军溃退
日军占领娘子关后，第1军司令官香月清司立即命令第20师团发动追击，乘胜进入太原平原。香月考虑到第20师团连日作战，已经受到很大损失，发动追击后，如无后续部队跟进，恐陷入危险境地。所以，他又命令以第109师团步兵第31旅团(欠1个联队)和山炮兵大队、工兵中队为基干组成的昔阳支队，列入第20师团，加入正太路方面的作战；另将配属予第1军的第109师团进到元氏集结；后又增加第108师团，增派了榴弹炮兵1个联队、加农炮兵1个大队、迫击炮兵2个中队、工兵(架桥)1个中队，使用于太原方面。
第20师团师团长川岸文三郎遵照军司令官的命令，将右纵队改为右追击队，令其向阳泉、平定追击；将左纵队改为左追击队，令其经柏井驿向平定追击。师团本队经新关向平定前进。
27日，日军左追击队主力继续西侵，先头已到达桥头村；右追击队当夜攻击防守巨城镇的第17师，攻占该镇。另一部日军由娘子关沿正太路进逼移穰镇。经激战后，该镇亦告失陷。28日，占领移穰镇的日军向守军左翼乱柳村一带阵地猛攻，桥头村日军则向第30师上庄阵地进攻。经过约5小时的激战，守军全线阵地均被日军突破。守军只有残余400余人西撤。此时，军事委员会为解除晋东危急，令第一战区抽出兵力，立即向石家庄、娘子关迂回进击。但因不能及时行动，29日只好改令孙连仲部在寿阳以东地区占领阵地，以阻击日军西进。当时，川军孙震部已失联系；第26路军所余兵力仅有五六千人孤军苦战，其第27师有1个营仅余士兵6人，都未脱离战场。当日日军攻占平定。日军飞机、炮火占绝对优势，连日激战中守军奋力拼搏，伤亡很大。
31日，日军的昔阳支队由九龙关进占东冶头。11月1日，进到西周壁及南北界都一带，与第129师第386旅对峙。第129师师长刘伯承令第380旅旅长陈赓以一部于张庄镇对平定警戒，同时向东迂回至敌后实行袭击。11月2日，日军昔阳支队分为两路前进，一路向昔阳，一路向西南绕凤居镇向昔阳迂回。第129师主力于昔阳以东黄崖底地区设伏阻敌西进，击退日军3次进攻，毙伤日军第109师团第136联队300余人。守军原拟集结兵力由平定西南向北侧击敌人的计划因形势变化未能实施。
沿正太路西进的日军右追击队在10余架轰炸机的配合下，于31日10时向守军狼峪、簸箕掌一带阵地发动攻击。第27师第30旅的第159团及工兵营、辎重连正面阻击，第160团从狼峪以南向日军侧击。经该旅两个团的协力作战，将日军击退。16时，日军复以优势兵力进攻南落村及郭家庄阵地。入夜后，第30军逐次向西北转移，第3军向桦塔镇转移。20时，正太路南侧日军一部乘隙绕至张净镇，使第42军前后被夹击。黄绍?即令第7军第109师驰援。该师尚未到达，第42军即被击溃。其第27师突出重围后奉命经大东庄向太原转移，其第44旅向芹泉镇以西转移。同时，在河底镇的第17师及甲鱼沟的第42师先后接到冯钦哉的命令，向太原转移。
11月1日零时30分，蒋介石以急电令第一战区程潜着汤恩伯速率所部参加晋东方面作战，攻击该敌侧背。汤恩伯率第13军立即经林县、辽县、和顺、昔阳向平定前进，准备攻击日军之侧背。
黄绍?于11月1日移驻太安驿，令第26路军占领正太路附近各高地，阻敌西进，令第30师(仅剩300多人)及河北保安队固守寿阳城；并令第22集团军在上下龙泉镇、松塔镇一带占领阵地，拒敌西进。孙连仲奉命后即令第42军迅速收容，在寿阳以东、铁路以北占领阵地；第31军驰援马首村，协同第3军之一部占领侧面阵地；第30师附河北保安队2个连在寿阳城附近占领阵地，固守寿阳城。
11月2日拂晓，第30军第30师张金照部占领寿阳东方高地。该师以一部准备部署寿阳城防，被派出的部队刚至南门即遭日军夹击。同时，寿阳正面及马首村阵地均受日军的攻击。第30师、第31师及第3军之一部与日军激战后，分向卢家庄地区转移，于是寿阳城失守。第22集团军总司令邓锡侯感到上龙泉阵地孤立，若孙连仲所部被突破，则该集团军有被包围之虞，遂令第41军留置一部于上龙泉镇与日军保持接触，主力转移至铜官铺、下龙泉之线占领阵地。第7军第169师于当日奉命向太原转移。
当守军各部队于10月20日由娘子关转进时，第3军军长曾万钟因未接到命令，致该军被敌截断退路，次日方分途突围。该军第12师第34旅马昆部经正太路以北绕至寿阳，于11月2日协同第26路军作战；第35旅朱淮部经柏井驿、西回村南绕和顺至松塔镇，到11月2日协同第7师的2个团在松塔镇及东刘义、西刘义地区占领阵地。
11月2日，沿正太路西进的日军约2个联队已到达寿阳。3日，黄绍?令当面各守军向太原转移。同时，阎锡山致电第18集团军总司令朱德，令该集团军以主力牵制晋东日军，破坏交通，迟滞日军西进，掩护战区部队作防守太原的部署。
当11月3日正太路正面部队开始转进之际，第22集团军始悉寿阳失守，其第41军尚在下龙泉、松塔镇、白云村一带；到4日晨，方知第26路军及第3军又向太原转移。孙震遂于9时令第45军第127师在长凝镇占领阵地，第41军第124师在阔郊镇占领阵地；令第41军第122师取捷径至阔郊镇西约10公里的立沟集结待命。当第22集团军各部移动之际，由昔阳向西进犯的日军先头部队进至松塔镇东南地区，并立即向第122师第364旅第727团阵地发动攻击。至11时，自芹泉镇南进的日军亦向第727团松塔镇东北地区阵地攻击。激战至13时，守军方脱离战斗，经白云村随主力向立沟转移。16时，孙震才接到黄绍?关于3日12时转进的命令，即令第45军第127师第381旅旅长杨宗礼派1个营到西洛镇收容并阻日军西进，令其余部队向太原方面转移。当部队行进到榆次西北地区时，遭到日军阻击，除第127师师部及第379旅第757团进入北营阵地外，其余均被阻遏。6日晚，孙震乃令各部队向太常镇集结收容。
(六) 作 战 简 析
在太原会战时，第二战区对日军主攻的晋北方面所作的部署及时而周详。但对晋东方面，则认为国民政府已经确定为主战场的第一战区在石家庄防守，侧方的安全可以保障；即使石家庄失守，有第一战区的部队沿平汉路节节抵抗，对山西也不致突然发生威胁，因而对战略要地的娘子关地区没有部署兵力。战略全局上的不周密导致如下结果：由于第一战区在石家庄作战的失败和沿平汉路南撤过于迅速，更由于日军早在进攻石家庄时已部署了一部兵力沿正太路西进以策应晋北第5师团的作战，当第27路军冯钦哉部及第3军曾万钟等部受命在井陉、娘子关组织防御时，日军跟踪而至，守军在仓促进入阵地、立足未稳之际即遭到日军的攻击。更由于第27路军和第3军战斗力均不甚强，且阵地正面过宽，兵力薄弱，工事设备不足，致重要阵地旧关、雪花山迅速失守，这对以后的作战，影响至巨。
第26路军孙连仲部经过涿县作战，损失较大，尚未得到补充，兵力不足万人，又在娘子关作战中英勇奋战，坚守要隘10余日，使日军不得不逐次增加兵力：10月19日日军第1军令第20师团全力转向正太线，21日华北方面军又将第109师团转隶第1军加入正太线作战，接着又将第108师团转用于正太路。日军“华北方面军”的主要作战方向，因娘子关守军有力的战斗，由预定的沿平汉路南下被引向山西方面。从战略角度看，使日军改变作战方向对抗日大局是比较有利的。但在娘子关阵地的编成上缺乏一定的防御纵深，既没有第二、第三线阵地，又没有控置必需的机动部队，当日军迂回至娘子关侧后，守军仓促放弃娘子关主阵地后无法组成有效的第二、三防线进行逐次抵抗，以迟滞日军的进攻，反而形成溃退的被动局面，致日军得以于10月29日占领平定，30日占领阳泉，11月2日占领昔阳，影响了太原的防御部署。
在娘子关防线处于危急的10月中、下旬，第18集团军协同正面守军在敌后展开积极、广泛的袭击战，使日军左翼迂回纵队第40旅团屡遭打击、进展缓慢，与其正面进攻的右翼纵队第39旅团不能密切配合。这也是正面守军得以坚守10余日的重要因素之一。特别是在正面守军仓皇向太原撤退的11月上旬，第18集团军对追击西进的日军连续进行袭击、伏击，仅11月4日在昔阳以西广阳的一次伏击战中就歼灭日军第20师团1000余人，缴获骡马700余匹和大批军用物资；11月7日，又在广阳以东的封村设伏，毙伤日军250余人。连续不断的袭击和伏击，一定程度上打击了日军的骄狂气焰，使其不敢从此路西进，只得绕道上、下龙泉西进，从而迟滞了日军的追击行动，有力地支援了沿正太路两侧向太原撤退的中国军队。
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