山西战事的进展，牵动了所有人的心。
日军兵力充足，各条战线都留有足够的预备兵力，因此此番发起的攻击不分主次，中***队左中右三条战线承受着巨大的压力。
这次东条英机孤注一掷，把手下所有的主力部队部派了出来，仅仅只是师团编制的部队就有第九师团、第十五师团、第三十四师团、第三十九师团、第一〇五师团、第一〇六师团、第一一〇师团、第一一八师团这八个师团，除第九师团为两旅团编制的主力师团外，其余皆为三联队师团。
此外，大量由两个联队或者是三个大队组成的混成旅团和独立混成旅团，以及来自东北和冀东的伪军部队，也给了东条英机极大的底气，在他眼里，中***队不堪一击，以前的失败，都是指挥官无能所致。
阎锡山不甘示弱，针锋相对，迅速加强了晋北一线之防御，根据日军的进攻方向，也分为左中右三路大军迎敌。
左翼总指挥卫立煌。
下辖所部第十四集团军、由徐源泉第十军升级的第三十四集团军和商震部第三十二集团军。和历史上有所不同，由于万福麟在华北作战中损失不大，因此他依旧牢牢地控制着第五十三军，与在天津结下交情的商震合作良好，三十二集团军战力也因此而倍增。
中路基本为阎锡山嫡系部队组成，总指挥傅作义，副总指挥王靖国，前敌总指挥陈长捷。
下辖由傅作义担任司令的第七集团军、王靖国的第四十三集团军和陈长捷的第四十集团军，由于这个时候太原兵工厂依旧牢牢地掌握在阎锡山手里，又得到安毅集团提供的部分军工技术，现在的太原厂中正式系列步枪、迫击炮、手榴弹、地雷和小口径步兵炮即可制造，晋绥军的实力比起历史上有大幅度的加强。
右翼总指挥刘茂恩。
下辖刘茂恩为司令的第四十二集团军、川军刘建绪第三十五集团军和王陵基第三十九集团军。其中第四十二集团军和王靖国的第四十三集团军一样，是今年年初中央为加强山西作战实力特意编成，第四十二集团军下辖刘茂恩兼任军长的第十五军、高桂滋新十七军和朱怀冰第九十七军。
左中右三路大军合计五十八万兵力，再加上驻守晋东南的杨爱源第六集团军、拱卫晋东娘子关及井陉一线的鲁逸轩第三十集团军和邓锡侯第二十二集团军、展开敌后游击作战的第十八集团军，该战区共计八十余万军队，在数量上比起日军略占上风，但在单兵素质上却差之甚远。
三月五日晨，日军右路率先发动，一个联队从灵丘出发，在蔡家峪击溃朱怀冰第九十七军三十二师两个团之防守，占领进入山西的交通要道路口，随即以雷霆万钧之势扑向平型关。在平型关阵地前，日军与守军一个旅发生激战，僵持不下，日军不甘心就此退去，又猛攻东、西跑池南北侧各高地。守军两个营坚守阵地，与日军顽强战斗，最后竟弹尽粮绝，经数番肉搏方杀退日军。
日军后续兵力陆续跟上，又是一个联队加入到对平型关的进攻中，这时中***队也加强了防守，右翼军司令官刘茂恩派遣川军第三十九集团军前往驰援，日军面对我优势兵力，无功而返。
眼见正面强攻难以啃下平型关这块硬骨头，负责该路军作战的第十五师团长岩松义雄中将，又调动独立混成第三十二旅团，绕蔡家峪转攻团城口。负责镇守该处的是刚刚进入阵地的川军新十六师，该部在师长陈良基的带领下，利用优势地形痛击日军，打击了日军的嚣张气焰。
日军攻势屡屡受挫，随即又以一个联队迂回东、西跑池南北高地，朱怀冰第九十七军三十二师在此防御的两个营官兵部殉国，高地被日军占领。
正在正面堵截对手的第三十九集团军司令长官王陵基见势不妙，急令川军新十五师师长邓国章率部驰援，向敌发起反击。各反击部队与日军进行激战，至下午四时终于将敌击退，收复东、西跑池及其附近高地。
在平型关一线发起激战时，左路日军也猛然发力，沿着已经通车的宁武至原平的铁路线，猛攻云中山我军防守阵地。
由于这一线靠近山西腹心地带，一旦沦陷，临沂和太原就将直接暴露在日军的威胁下，故防守分外严密。
左翼军司令官卫立煌麾下兵精粮足，弹药宽裕，同时云中山关隘构筑有坚固的钢筋混凝土工事，山谷中的铁道铁轨也在开战后即拆除，日军只能采取强攻的策略。不过，在三月初冰雪未消融的季节，向拥有地利的守军发起进攻，无疑是一件愚蠢的事情，在卫立煌部的炮火及居高临下的射击中，日军尸横遍野。
不过，东条英机早已预料到这种情况，见战事不利，迅速调动飞机和装甲车助战，原本左路日军指望着能凭借天空地下立体式的进攻取得突破，可惜此时，安家军已经调集三个航空大队，分别进驻太原机场、晋中机场和阳泉机场，听闻前线遭遇日军战机空袭后，两个大队共十二个战斗机中队率先起飞，a27和a26战斗机