为确保太原和解除晋北中国作战部队的后顾之忧，第2战区司令长官部决定组织娘子关保卫战，“以第1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”(《第二战区娘子关保卫战作战方针和指导要领》，国民政府军令部战史会档案，中国第二历史档案馆藏。)蒋介石命由平汉路撤退下来的第1战区主力孙连仲、冯钦哉的第26、27两路军和曾万钟第3军等部共约7个师的兵力，沿晋冀交通动脉正太路井陉至娘子关一线布防，扼守晋东要隘娘子关，开辟保卫太原的东线战场，由第2战区副司令长官黄绍竑指挥。
平汉路方面日军攻占石家庄后，即新增土肥原师团在漳河一带与商震第20集团军展开激战，并以川岸文三郎第20师团及108、109师团各一部和伪满军一师渡过滹沱河，由正太路进犯，企图进出娘子关以西地区，威胁太原，并策应日军第5师团在晋北方面的作战。
中国军队向娘子关附近转进，仓促进入阵地，立足未稳，日军即跟踪而至，向中国军队阵地发起猛烈攻击。11日，日军分别向井陉、贾庄发起进攻，并以一部约八九百人向第17师正面长生口绕攻，直抵旧关，进逼娘子关侧后，中国守军部署未定，部队散乱，无法组织有效堵阻，井陉、长生口被突破，旧关也于12日失守。同日，黄绍竑命原定增援晋北的孙连仲第26军回援，同时令第3军向旧关、新关附近集结。是日夜，又令第17师以一部向长生口出击，迟滞日军前进，并固守娘子关以东要地雪花山。最初较为得手，克复刘家沟、长生口等处，后遭敌反攻，雪花山守军指挥官因疏忽致使阵地丢失。第17师发动反攻，损失严重仍未克复阵地，不得已退守乏骡岭。
14日晨，日军出动一个联队共千余人，分别向旧关镇及苇泽关侵入，遭到第26路军第79旅迎头痛击。孙连仲另派第27师一部绕袭核桃园，分兵向关沟之敌猛烈夹击，“激战两日，肉搏10余次，当将关沟之敌歼灭殆尽”。(《孙连仲致蒋介石密电》(1937年10月16日)，国民政府军令部战史会档案，中国第二历史档案馆藏。)15日晨，第3军第34旅由大小梁家亘王家岭向旧关推进，同第26军一部围攻旧关，中国军队全线发起数次猛攻，激战至晚间，“敌已有动摇模样”。16日拂晓，日军实施反击，中国军队虽将关沟残敌肃清，但旧关被包围的日军利用东南及西北高地顽抗，日军并派飞机大力支援，中国军队无法展开攻势。傍晚起，日军向第27路军工兵营所在的旧关西南高地反攻，将阵地突破。前往增援的第27军教导团伤亡惨重，几至全部牺牲。17日，中国军队继续攻击，拟先切断旧关之敌后路，然后将其歼灭，而日军又大举反攻，双方激战，肉搏10余次，伤亡均重。中国军队以火力封锁了核桃园至旧关的通路。
19、20两日，日军由正面向乏骡岭中国第17师阵地攻击。中国守军在赵寿山师长率领下与敌殊死搏杀，伤亡惨重，全师13000余人，仅剩2700人，被迫撤离，阵地失守。而旧关至核桃园一带之日军则连日遭中国军队的攻击，山沟中陈尸累累，伤亡甚重。残敌千余退守旧关附近高地。19日，日军第20师团长接到攻占阳泉平原的命令，决定兵分两路，右纵队沿井陉、新关至石门口大道及其以北攻击前进;左纵队共步兵4个大队、山炮兵1个大队沿测鱼镇至石门口大道前进，即迂回攻击娘子关中国守军的右侧背。(日本防卫厅防卫研究所战史室：《中国事变陆军作战史》第1卷第2分册，第72～73页。)当日奉命增援晋东的第18集团军第129师到达阳泉，奉令进驻马山村、七亘村一带，掩护娘子关守军右侧背。
21日，中国军队继续进攻旧关之敌，日军据高顽抗，至晚11时，核桃园及大小龙窝完全被中国方面占领。娘子关正面日军得到增援，则用飞机、火炮协同步兵猛攻北峪、(1000)标高地及南峪以北附近高地中国军队阵地，北峪等阵地被其突破。22日拂晓，日军猛烈进攻南峪东南(1000)标高地等地，(1000)标高地“守兵全数殉国，敌迫近地都”。黄绍竑决定缩短防线，将剩余部队移至锦山及娘子关以北高地固守，以节兵力，同时令第27军在臭水、桃林坪、观音陀山一带构筑阵地。(《黄绍竑致蒋介石密电》(1937年10月22日)，国民政府军令部战史会档案，中国第二历史档案馆藏。)第26军已在娘子关血战八昼夜，兵力不满6000人，应付娘子关正面长达50余里的防线，实感困难。孙连仲请求增援，阎锡山命令自四川步行北上的川军第122师、第124师沿正太线前往增援。此后直至26日，娘子关正面中日双方军队一直处于对峙状态。
日军左纵队由横口车站渡河西进，23日到达南障城，并以大部南下测鱼镇方面，一部约二三百人抵达刘家珊、固栏村附近。24日，测鱼镇方面步骑联合之敌3000余人在七亘村遭到第129师386旅771团阻击，因众寡悬殊，该团损失较重。日军向马山村进攻，刚到该处之川军一部被击退。为缩短阵线，中国军队当日令第3军由固兰村后撤，日军一股约300人遂乘机由中国军队阵地空隙窜入十家路、乱安村，向固驿镇中国军队右侧背进攻。黄绍竑急令第122师一部与第3军向敌夹击，但至25日，敌左纵队已全部到达固驿镇附近，与中国守军发生激战。
25日，日军以一部骑兵为主体，由马山村方面闯入中国方面第3军右翼后十字道、乱安村及固驿村南端高地，同守军展开激烈争夺。同时在西回村西方高地，川军第122师同日军遭遇，发生激战。此时，马山村至平定道路除第122师外，已无兵可派把守。为防止日军断我后路，26日，黄绍竑与阎锡山会商后，“抱最大决心以26路军留一小部守娘子关，主力移至巨城镇、移穰镇，进出柏井驿、桥头村，以本日第二次新加入之川军124师之一旅推进石门口，准备对敌总攻”，(《黄绍竑致蒋介石密电》(1937年10月26日)，国民政府军令部战史会档案，中国第二历史档案馆藏。)并调冯钦哉部3个团，准备于上下盘石至巨城镇间抗拒娘子关方面敌军。娘子关主阵地遂于是日被日军突破。守军旋即按计划全线撤退，晋东门户娘子关失守。