结果关东军的行动被制止了，可按下葫芦瓢又起，身为第五师团师团长的板垣征四郎先前就与东条英机很有共鸣。当时刚刚结束了南口战役的他正在华北留守，第五师团有半个师团被抽调到了保定前线，他眼见晋军的腐败无能，心里一痒痒，突然也打起了山西的主意。
板垣也向参谋本部做了申请，同样得到了否定的回答，而且凭借他手上的兵力，进攻表里山河、地势雄固的三晋大地，大家也都不相信他有那个实力。可是板垣是个有名的中国通（据说是当时的三大“中国通”之一，汉语说得很好），他对于山西的地形可谓了如指掌，他自信绝对可以一举拿下太原。
当时石原莞尔还在朝，板垣与他是老关系了，他通过石原的路子，最后大本营算是默许了他的行动。9月下旬，板垣率领他的半个师团开始攻击平型关地区的晋绥军主力，当时晋绥军虽然战力非常有限，可兵力毕竟是板垣的20倍以上，他们又得到了中央军、八路军的配合，所以板垣立即陷入了苦战。
大本营不能见死不救，所以蒙疆兵团也逐次参加了作战。同时为了打开局面，驻大同附近的关东军全部力量，步兵第十五旅团、步兵第二旅团等与之呼应，也终于越过内长城线，向代州平地进攻。
山西方面组织了太原北面的忻口会战，卫立煌属下的郝梦龄出任前敌总指挥，郝梦龄在战前已抱定必死之心，所以作战坚决果敢，最终果真不幸被流弹击中，成全了自己“马革裹尸”的军人理想。陈长捷本是身为第二战区司令长官的阎锡山麾下的一位不太受宠的将领，但是他打仗的确是一把好手，所以继郝梦龄之后，陈长捷被临危受命，成为了忻口会战中国军队的前敌总指挥。
陈长捷作战勇猛灵活，打得日军几无招架之力，他正准备大举反攻，一举消灭板垣部（日军后路此时已被八路军所抄）。可是就在这个时候，华北方面的日军为了援救被困的板垣，准备从娘子关突破，进入山西腹地，迂回到忻口后方一举围歼中国军队。为确保娘子关，阎老西不得不从忻口前线抽调兵力前往娘子关堵截日军，这样陈长捷便再无足够兵力实施反攻。
在整个太原会战期间，第二战区对日军主攻的晋北方面所作的部署是及时而周详的，可是问题就出在第一战区身上。对于晋东方面，阎锡山等人认为国民政府既然已经确定了主战场在第一战区，料想石家庄一带的防守应该比较稳固，所以山西方面的侧方安全就有了保障；即使石家庄失守，第一战区的部队沿平汉路节节抵抗，对山西也不致发生威胁，所以对作为战略要地的娘子关地区没有部署兵力。可是没想到第一战区的部队那么废物，轻易就为日军增援山西让开了道路。
黄绍竑受蒋介石差遣来山西助战，此时他正好赶上娘子关吃紧，所以阎老西临时委托黄绍竑主持娘子关方面的战事。华北日军非常狡猾，黄绍竑后来回忆说：
“原来敌人自突破石家庄我防线之后，就以主力——川岸二十师团——附属特种兵及一部分战车转向山西进攻。他到达了井陉的前方，并不即向井陉、娘子关正面进攻，而以主力斜出井陉的右侧，绕攻旧关。这是曾军与赵师中间的空隙，没有部队防守。我到娘子关那天的早晨，旧关已经为敌人占领了。旧关在娘子关的右侧后，敌人如果再前进，就要切断娘子关的后路。”（《黄绍竑回忆录》）
此时，行军数千里的川军恰好赶到，喘息未定，黄绍竑即命他们到前线救火。由于川军的装备、战力十分可怜，加之部队是逐次投入的，最后只是白白牺牲。10月26日娘子关失守，忻口地区的中国守军顿时处于腹背受敌的境况。
11月2日，第二战区司令部不得已下令忻口守军撤退，全力保卫太原。由于此时士气已大受影响，众将士皆无固守之志，被阎锡山委托太原防守重任的傅作义虽有善守之名，无奈孤木难支。11月9日，太原在坚守了仅仅一天后即告沦陷。
忻口、太原的相继沦陷，成就了第五师团“钢军”的虚名，直到次年春台儿庄战役中的临沂保卫战，第五师团又差点被张自忠打回原形。可惜中国军队最后再次功亏一篑，侥幸的板垣就这样两次成就了自己的“威名”，为他未来的升迁铺平了道路。
需要一提的是，山西的战局，几乎就是几天之后淞沪战场上的提前预演，日军做大举迂回攻击的手段，竟然未能引起蒋介石的充分重视，这的确令人不禁扼腕。
板垣征四郎以前曾向石原莞尔提出“大致可在绥远、太原、石家庄、济南、青岛一线以北，以建立新华北政权”的意见，但是新任的华北方面军司令寺内寿一却强烈主张进至黄河一线。
参谋本部由于对苏联的顾虑，仍旧极力采取不扩大主义，提出了“平地泉、保定、天津一线以北的特殊地带方案”，但计划不如变化快，参谋本部似乎只是给前线将领擦屁股的。
那还是在9月22日的时候，作战课长武藤章收到华北方面军第一课高级参谋下山琢磨提出的如下意见：
根据第1军主力越过永定河一线作战的结果，趁势突破保定一线并不困难。但不应希望仅以保定会战强行与中国军决战。必须利用这一战果，再于石家庄附近予敌重大打击，以挫伤敌之战意。为此，最好以第5师团由山西省北部向太原前进，以第2军之一部沿子牙河向石家庄东南前进，配合第一军攻击石家庄阵地正面，采取三面包围的态势。
军令部也有的主张由海州方面发起山东作战，但比较起来，仍应首先以第五师团向太原前进威胁石家庄敌军侧背。（《长编》）
这一建议最后得到采纳，而且以中国军队的抵抗能力，日方判定不需要再增加兵力了。这样一来，就有了华北日军突破石家庄一线，又从娘子关突入山西的举动。
当华北、上海战事在如火如荼地进行着的时候，10月1日，近卫首相、广田外相、杉山陆相和米内海相参照9月20日上奏的“中国军队作战计划大纲”，研究制订出了一份“中国事变处理纲要”，希望能本着这一纲要精神尽快结束此次事变。同时为防“意外”，日方也做了长期战争的准备。
中国事变处理纲要的“总则”中提到：
一、一般方针
此次事变之目的，在于以军事行动之成果结合适当之外交措施，使之尽速结束，并使中国放弃抗日及容共政策，在日华间建立真正明朗持久之邦交，以期日满华和睦共荣之实现。
根据形势，为应付长期行使兵力，采取有关必要之措施。
二、军事行动
军事行动以使中国从速放弃战意为目标。行使兵力、占据要地及各项有关工作，均须采取适时之手段。
三、外交措施
外交措施以迅速促使中国反省，导致中国实现我方期望之境地为目标，对中国及第三国进行适当谈判与工作。结束事变之处理，应使中国放弃抗日及容共政策，不可故步自封，而以调整崭新之邦交条件进行外交交涉。
四、军事、外交以及有关各项施策，应在国际法允许值范围内慎重行事。
“准则”部分提到：
一、行使兵力
1、行使地面兵力之主要地区，大体为冀察及上海方面。
2、对必要地区，实行海上或航空作战。
二、国家实力之整备
为顺利推行作战并应付最恶化之国际形势，须使国家一切工作，适合于总动员之实施、战时法令制定及体现长期举国一致等之需要。
三、华北对策
解决华北问题之宗旨，以实现日满华三国共存共荣为目标，在中国中央政府之下使华北真正明朗化。
（注：行政虽属中央政府，但对上述地区之行政首脑，须为实现日华和睦之适当有力者。此外，应与中央政府在华北以日华平等之立场订立合办或其他方式之日华经济合作协定。）
在华北并须设置一定之非武装地带。
四、华中、华南对策
期于华中、华南地区使之出现适于增进日华通商贸易及持续发展之状态。
（注：于上海周围设定非武装地带，但对上海之安全保障，应以有关各国共同负责为原则。）
五、华北作战对后方地区之措施
事变过程中，对华北作战后方地区采取之措施，应摆脱占领敌国领土之观念，大致按以下原则处理。
（一）不承担占领地区之行政。但须在军指导下确立治安。
（二）行政机关，委诸当地居民自行组成，但应加以指导，使之实施明朗政治。
（三）军事上必要的交通设施及资源开发，须在一定统治下施行之。
但以上（二）（三），不得影响和平局面出现后邦交之调整。
六、关于对外通商及经济财政
关于日华及第三国间之通商与经济财政事项，应以使中国放弃战意为重点。
七、对第三国关系
对第三国之外交措施及有关各项工作，应促使对我保持好意，并采取不与第三国酿成争端或导致其干涉之政策。军事行动及有关各项工作，亦应按上述精神慎重施行。
八、对侨民之处理
对侨民应进行救济及抚恤。
九、对上述各项之具体措施，另行规定。（《长编》）
总体来说，这份纲要基于警戒苏联的动向，具有准备在10月解决中国事变的意图。日方不顾中国的看法，竟然认为该纲要对华要求也不过高，并且大致要以此条件求得“日满华和平”。
4.用血肉筑起新的长城
华北战场的形势不容乐观，上海方面的战况也急转直下，到10月初，日军第二批陆军主力增援部队均已到达上海。
先是，第一○一师团于9月18日自神户起航，22日在吴淞、杨树浦间登陆。接着，第九师团于9月23日自大阪起航，27日在杨树浦至吴淞间登陆；第十三师团于9月27日自神户起航，10月1日在张华浜、虬江口一带登陆。此外，野战重炮兵第五旅团和第三飞行团，也先后在9月中、下旬到达上海。
截至此时，日军在淞沪战场上已经集结了5个陆军师团，再加上15个步兵大队，重炮兵1个旅团以及其他特种部队，连同原有驻沪部队，总兵力已经达到12万人（不排除此前的战斗减员）。他们共装备有火炮约300门，坦克200余辆，飞机200余架。
此外，日军的后方供应线也日益稳定和加强，临时机场在泗州岛、沙窝、公大纱厂等处建成（其中有一处是高尔夫球场改建），各军兵种协同作战的条件逐渐形成，大规模野战所需要的各种条件都已具备。总之，淞沪战场上日军的优势已经形成了。
日军的火力是具备压倒优势的，自进入9月下旬，日军每天炮击2万余发，中国军队的阵地上往往形成一片火海。从军事上讲，上海地区尤其是日军登陆地带不能固守，起码要避开日海军炮火的打击，纵深的防御才是必要的，比如美军后来在冲绳岛登陆时，火力处于绝对劣势的日军干脆让出了海岸阵地，只待美军深入才予以打击。
但是蒋介石就是要寸土必争，幻想以中国的数量优势压倒日本人的装备优势，罗店之战就集中地反映了这一点。
那还是在8月下旬的时候，第十一师、六十七师等部队与日军在小小的罗店展开激烈的攻夺战，双方伤亡惨重，整个罗店血流成河，遍地尸体。陈诚和罗卓英为了减少伤亡，让部队有个喘息的机会，便决定将部队后撤五千米。当报告送交至蒋介石手中时，蒋于是回电道：“罗店至关重要，必须限期占领。要求将士有进无退，有我无敌，不成功便成仁！”
陈诚不敢违拗，立即组织了第十一、十四、五十一、五十八、六十七等五个师的兵力，对罗店地区进行顽强反击，连战两日，并未取得多大战果。不过这时罗店确实成为了中外记者、舆论关注的焦点，所以到了9月4日，蒋介石大发雷霆，竟甩下狠话道：“今天如果夺不回罗店，师以上军官统统就地处决！”
为了执行命令，陈诚、罗卓英决定把重新夺回罗店的重任交给霍揆章的第十四师。郭汝瑰当时是这个师的参谋长，他把自己的遗书写好后交给霍师长道：“这是我的遗书，我马上带两个团去，拿不下罗店我不回来见你了，请你将我的遗书交给我的家人。”
郭汝瑰决定以一个团正面进攻，一个团则实施迂回。面对敌人的猛烈炮火，那位指挥正面冲锋的团长慌了神，他赶紧向郭汝瑰请示，郭一跺脚说：“还能怎么办？前面就是地狱也要去！”一般来说，上面有死命令压着，后面往往还有督战队，后退肯定是死，前进也许还有条活路。
部队伤亡大，郭汝瑰后来在回忆录中也指出那个老问题：“这是由于那时，国民党军队没有经过严格训练，进攻战斗动作不行。同时，以前从未遇到过这样激烈的战斗，士兵们缺乏战斗经验，加之山炮营尚未到达，进攻又无炮兵支援，我血肉之躯，怎敌得过敌人无情的炮火，于是几百个士兵就在桥头作了壮烈的牺牲。”
当快接近罗店时，正面进攻的那个团只剩下12个人了，但郭汝瑰还是带领着他们一口气冲到了罗店镇中心，并于傍晚在迂回的那个团的配合下夺回了罗店。霍揆章望着自己那已经惨不忍睹的部队，不禁悲痛地对郭汝瑰说:“不能再打下去了，再这样打下去，我这个师长成了光杆司令了。”
可惜霍揆章不是委员长，打不打不由他说了算。罗店争夺战最后一直坚持到10月底，双方死伤2万余人，乃至于日军也不禁悲叹罗店实在是一座“血肉磨坊”。有一位日军少尉就曾在日记中写道：“10月2日，我率领士兵49人（其中19人系临时征集者）向罗店阵地进攻，中队长千田大尉在后面督战。敌人虽顽强，我们奋勇迎击，可是千田大尉头部贯穿，其他一等兵战死8人，负伤者17名，如此比例言之，敌人此役之伤亡必超过半数……”（转引自《血肉磨坊》）
然而，如此巨大的牺牲，也确实赢得了不小的声誉，西方记者们就有评价：“这是第一次世界大战以来最惨烈和不可思议的战斗，它的精神意义远远大于军事意义。”
著名史学家黎东方就曾指出：中国的沉重牺牲，“告诉了日本军阀，三个月不能亡华，三百个月也亡不了华；也告诉了全世界的人士：中国已经不是鸦片战争或八国联军时代的中国。中国的兵，也不再是当年的兵；不再是听了炮声便一哄而散的乌合之众，而是敢打，敢死，服从命令，绝不反顾的有纪律、有组织、能团结一致、互相支援的武力，堪比于任何强国的军队。”（《细说抗战》）
当然，这其中可歌可泣的不但是将士们杀敌报国的英勇，也包括上海各界群众乃至全国民众高昂的抗战热情，他们为支援前方将士，也作出了巨大的牺牲和努力，不灭的民族精神由此得到了充分体现。
陈诚前往一线视察，面对战场上的惨状，他也非常心痛，师长如果成了光杆司令，他这个总司令也没法当了。结果陈诚不但不鼓励士兵们奋勇杀敌，反而叫部队撤退，以保存战力。
另一方面，副参谋总长白崇禧、作战组长刘斐等也向蒋介石提出，淞沪会战应该适可而止，不然就会陷入极大的被动，部队应该及时向吴福线国防工事转移，最好能够依托工事同日军做长期对峙。蒋介石一度接受了这一意见，下令执行，但第二天又决定收回成命。
