，集中兵力进击平型关外，想要歼灭板垣师团。但已占领大同的日军，向南进攻，并又占领了繁峙县城，就对平型关战场形成了侧后的威胁。经过在高级将领会议上激烈的争论，阎锡山害怕五台山的退路被切断，最后决定全线后撤，将主力配置于太原以北一百公里的忻口一线，准备保卫太原。
忻口位于崞县和忻县之间，是云中山和五台山两山峡谷中的一个隘口，公路和同蒲铁路都从此通过，自古以来就是晋北通往太原途中的战略要地，日军进犯太原，这是必经之路。阎锡山早几年就在这里修筑了大量工事，将它作为关系太原安危的咽喉要道。由于八路军在五台山一带牵制着日军，使得晋绥军和随后赶到的中央军能如期完成了战斗部署。
日军如果攻下太原，就将沿山西南下跨黄河直指武汉。蒋介石此时也意识到在山西作战对全国形势的重大影响，于是急令卫立煌的第14集团军从石家庄迅速开赴山西，参加晋北战役。10月10日，忻口会战正式打响。日军主力是板垣师团，计5万余人；晋绥军和中央军的总兵力则有8个军16个师，近10万人。东西50里长的战线上，双方展开了大规模的攻防战。在忻口正面，争夺阵地的战斗异常激烈，守军用太原兵工厂供给的八万多发炮弹向敌人猛烈轰击，发挥了极大的威力。日军在飞机、坦克和猛烈炮火的掩护下，以整营整连的兵力反复向前沿阵地发起进攻。守军阵地则手榴弹齐发，各种枪支集中射击，直至冲出战壕进行白刃战，一次次将敌人击退。守军的英勇战斗，大大鼓舞了民众的抗敌热情，成百上千的老百姓自动支援前线，冒着炮火抬伤员，送给养，挖战壕，军民同仇敌忾，使敌军难以前进一步。激烈的战斗持续多日，中国军队寸土不让，阵地常常是得而复失，又失而复得，每一次剧烈的拉锯战，都有很大伤亡。上将军长郝梦龄在火线指挥，被敌炮弹击中阵亡。从他于忻口会战前一天写给爱妻的信中，我们感受到了爱国军人可歌可泣，视死如归的伟大气慨。信中说：“余自武汉出发之时，留有遗嘱与诸子女等。此次抗战乃民族国家生存之最后关头。抱定牺牲决心，不能成功即成仁，为争取最后胜利，使中华民族永存世界上，故成功不必在我，我先牺牲。我即牺牲后，只要国家存在，诸子女教育当然不成问题。别无所念……倘吾牺牲后，望汝好好孝顺吾老母及教育子女，对于兄弟姐妹等亦要照拂。故余牺牲亦有荣，为军人者为国家战亡，死可谓得其所矣！书与纫秋贤内助，拙夫龄字。双十节于忻口。” 毛泽东同志在延安追悼抗敌阵亡将土大会上称赞郝梦龄等是中国人民“崇高伟大的模范”，证明“中华民族决不是一群绵羊，而是富于民族自尊心与人类正义心的伟大民族”。
成千上万的战士，在肉搏战中，在敌人的猛烈炮火下壮烈牺牲。战争最激烈的时候，有一天从拂晓至黄昏，在正面约三里宽的名为南怀化的阵地争夺战中，敌我易手达13次之多，先后牺牲了十个团，自团长到炊事员，非亡即伤，无一幸免。这就意味着一小时牺牲一个团，鲜血染红了阵地，无数英雄男儿表现出了为国为民视死如归的气慨。在中国守军的顽强抗击面前，日军蒙受重创，一筹莫展。日军又从京津守备队调兵力增援，但在中国军队的顽强抗击下，也难以前进，虽三易其指挥官，也无法挽回危局，双方形成对峙之势。八路军则奉命在敌后展开游击战。袭击日军的交通运输线和后方目标。八路军129师成功袭击了日军在代县的阳明堡机场，烧毁敌机20余架，极大地鼓舞了前线战士的斗志，有力地配合了正面战场。八路军的游击战和运动战，极大地威胁着敌人的侧后，迫使敌人不得不放弃正面进攻忻口的计划，改由从正太路西进，攻打娘子关。日军沿河北南下的部队在占领石家庄和邯郸后，就集中平汉线上的全部兵力攻向娘子关。娘子关不幸被日军攻下，日军从东面向太原逼近，忻口守军陷入背腹受敌的困境之中。阎锡山和卫立煌决定放弃忻口，退守太原。11月2日，各路军队陆续南撤，转入太原附近的阵地。
持续了二十多天的忻口战役，我方伤亡5万余人，消灭敌人2万余人，是抗战初期华北战场上规模最大、战况最烈的一次战役。中国军队，包括中央军、晋绥军和共产党领导下的八路军，在战斗中团结一致，相互配合，不怕牺牲，英勇抗击日冠的精神，对全国人民的抗战热情起到了极大的鼓舞作用。但这次战役，忽视了敌强我弱的基本特点，未能以运动战为主，辅以游击战和阵地战，灵活机动地削弱和消灭敌人的有生力量，而是以单纯的阵地战进行防御，使中国军队蒙受了不应有的巨大损失。事实充分证明，片面的军事抗战，在中国当时的条件下是行不通的。
忻口撤兵后，为了保住自己的老窝太原，阎锡山虽然作了很大努力，由于卫立煌不同意固守太原，率领中央军向南撤退，而晋绥军的王靖国部又临阵脱逃，致使太原成为一座孤城。阎锡山早早地离开太原走了，请缨守城的傅作义率6000劲旅抗击10万日军，坚守三天后撤退，太原失守。 11月，阎锡山到达晋南重镇临汾。随后，八路军驻晋办事处、十八集团军总部、中共中央北方局、中共山西省委也都陆续到来，临汾成为山西和华北的抗战中心。
1938年2月，阎锡山不甘心失去大半个山西，提出要反攻收复太原。而日军也集结了雄厚的兵力，由北向南开进，意在进犯晋南。双方几次接触，阎看到反攻的可能性不大，就将兵力转移到山区。日军在占领交通沿线的大小城市后，也就开始向山区进攻。在“川口战役”中，第19军军长王靖国仗着是阎锡山的亲信，临阵保存实力，置军令于不顾，避免与敌交锋，致使全线溃败。第二战区执法总监张培梅勃然大怒，要求以军法处置。阎锡山却不允所请。性情暴烈的张培梅，一生对阎锡山忠心不贰，眼见晋绥军一再败北，自己“杀一儆百”，严肃军纪，振奋士气的主张又不为阎锡山所采纳，因而忧愤至极，萌生自杀以警众人的念头。果真，他吞下大量大烟土，自杀于隰县午城镇。张培梅的过激行动，意在警告阎锡山需要重振军威，否则晋绥军将溃散难收。阎锡山心中明白，这位追随他多年的亲信，以死明志，难能可贵。因此，他在祭文中悲痛地表示：“你很爱国，你很壮烈，你以为晋民苦矣，国家危矣，不忍睹，不堪睹，君乃自了！……我则不作如是感。我国有二千年大一统之光荣，亦随有二千年大一统之遗毒，使维新革命均无大效。经此疯狂自损之日本军阀一打击，必能去旧鼎新，而成现代之国家。我不悲观……”从这里也可以看出，阎锡山当时的目光还是比较远大的，对抗战及抗战后的中国前途抱有信心。
抗战以来的几次战役，也使阎锡山认识到，单纯坚持阵地防御战往往被动挨打，面对日军的强大火力，损失太大。共产党、八路军采用的游击战，灵活机动，在运动中打击和消灭敌人，不断发展壮大自己，行之有效而且愈战愈强。因此，在晋绥军遭到重创，元气大伤的情况下，他不得不转而向共产党寻求支持和依靠，产生了与共产党全面合作的想法。毛泽东通过彭雪枫向阎锡山提出具体意见，指出：游击战争应处于敌人的侧翼和后方，具体到山西，则应分成晋西北、晋东北、晋东南、晋西南四个区，向进入中心城市占据交通要道的日军，采取四面包围袭击的姿态。阎锡山对毛泽东的建议表示赞赏，同意八路军分别以五台山、管涔山、太行山、吕梁山为依托，建立根据地，开展敌后游击战争。阎锡山一面整顿晋绥军，一面依靠决死纵队和八路军，与日军形成了相持的局面。在政治上也向着共产党的主张靠拢。他以第二战区司令长官的名义，公布了薄一波起草的《山西民族革命十大纲领》。纲领中提出了全民抗战，组织自卫队和游击队，开展游击战争，铲除汉奸卖国贼，执行合理负担，改善人民生活等十大任务。牺盟会以“为保卫山西血战到底”为动员口号，广泛动员和组织群众参加抗日活动。省内的抗日游击队、人民自卫队及牺盟会员、农救会员迅速增长到100余万人。决死纵队也进行了扩编，活跃在晋东南、晋西北、晋东北，与八路军建立的晋绥、晋察冀、晋冀豫抗日根据地协同配合，以山西为中心开展了艰苦卓绝的抗日救国战争。
国民政府所在地的南京于12月也沦于敌手，日军在南京制造了震惊中外的大屠杀惨案。国民政府迁往重庆，武汉成为当时的政治和军事中心。全国的抗战进入了艰难的相持阶段。阎锡山为了争取全国各界对处于抗战第一线的二战区予以政治和人力的支持，倡议在山西开办“民族革命大学”，这一倡议得到了文化界进步人士沈钧儒、潘汉年、邓初民等的响应和支持。1938年1月，设在临汾的“民族革命大学”正式开学，除本校外，另设有一个分院和四个分校，一期的学生就达5000余人。学生来自全国各地，北到长白山下，南至珠江流域，南北共有十八个省份的青年，还有归国参加抗战的南洋华侨。从政治信仰来看，有共产党员，国民党员，三青团员，也有无党无派人士和宗教人士。这些来自五湖四海的热血青年，为着抗击日寇侵略，争取民族独立、自由，聚集到了汾河之滨，当时的确是山西的一大盛事。阎锡山亲自兼任民大校长，许多著名人士和学者，如李公朴、江隆基、何思敬、陈唯实、施复亮、侯外庐、周巍峙、徐懋庸等，都到民大任教。民大讲授的课程，有阎锡山的“物产证券”、“按劳分配”，“中的哲学”等内容，也有马克思主义的唯物辩证法、社会发展史、政治经济学、社会科学概论等内容，还有抗日民族统一战线、日本帝国主义侵华史、抗日军队政治工作、群众工作等内容，呈现出抗日统一战线的鲜明历史特点，也充满抗日统一战线的深厚实践气氛。一时间，山西南部小小的临汾成为全国抗日救国运动的中心之一。
山西这种热气腾腾、蓬勃向上的抗日局面，显示出了中国人民团结救国的英雄气慨，显示了中国共产党高举着的抗日民族统一战线的强大生命力，也显示了阎锡山守土抗战、爱国联共的热情。应当说，与共产党共舞，为抗战建功立业，这是阎锡山一生中最灿烂的岁月。
追随蒋介石 限共反共屡遭挫
由其阶级立场和切身利益所决定，阎锡山在凄惶地回顾自己只剩下了两、三万人马时，他感到了一种新的危机，他的算盘也就开始了另外的算计。尽管眼下还需要八路军、决死队和牺盟会对付日本人，维持山西的大局，但考虑到八路军、决死队将来绝不可能成为自己的军队，以后要控制山西，统治山西，就不能允许这几股力量过于强大。尤其是新军决死队，这时已由原来的四个总队（相当于四个团）迅速发展成为四个纵队（相当于12个团）。名义上还是他的队伍，但却是在共产党的控制之下，与八路军关系密切。这越来越成为他最大的一块心病。
因此，1938年6月，在吉县古贤村召开秘密军事会议时，阎锡山就有感而发地向着他的部下发了一通议论说：“这次会议，是给你们开追悼会的。但是如果你们懂得了道理，也可以说是庆生会。”接着，他算了一笔账：自抗战以来，某友军人员增加了四倍，我军某军却减少了一半。按此比例，再过10个月，友军的一变成了十六，我军某军的一却变成四分之一，这就成了六十四比一的结果。一膨胀一缩小，可怕不可怕？说的明白一点，就是晋绥军抗光了，八路军不但没减少，反而增加；再加上牺盟会、决死队与共产党、八路军合作，今后还有我们晋绥军的立足之地吗？
出于私利，在阎锡山的算盘上，民族大义开始被推到了无足轻重的位置。他念念不忘的是晋绥军也就是自己的“存在”，在八路军和决死队手里的地盘，虽然是还是中国人的地盘，但不能算作自己的地盘。
接着，他又在古贤村召开了“抗敌行政工作检讨会议”。会上抛出了《抗敌行政机能十大纲领》、《抗战人员必戒二十条》、《抗战必要条件六项》等文件。特别是《抗战人员必戒二十条》，是他召开这次会议的中心内容。表面上是对所有抗战人员提出的基本要求，而实际上，是针对着革命势力，为加强对牺盟会、决死队的控制而提出的。如“军队妨碍行政者必戒”，“言论足以挑动阶级斗争者必戒”，“滥委�