就在中日两军忻口鏖兵的时候，日军华北方面军也开始了行动。保定沦陷后，华北方面军司令部命令日军第 20 师团向石家庄推进，进入井陉以西地区，切断山西交通，策应板垣征四郎所部作战。
10 月 6 日，日军华北方面军司令部正式下达进攻命令，大批日军浩浩荡荡沿着正太铁路向山西发起进攻，兵锋直指娘子关。此次负责进攻山西的日军包括川岸文三郎第 20 师团、第二军之第 108 师团以及华北方面军司令部直属第 109 师团第 31 旅团。
中国方面，由于阎锡山兵力不足，他将大部分兵力都部署到了忻口方向，使得娘子关一线兵力十分薄弱。如此薄弱的兵力根本无法挡住日军，于是在日军进逼滹沱河北岸时，第一战区派出冯钦哉的第 27 路军、曾万钟的第 3 军、赵寿山的第 17 师以及第 38 军教导团向娘子关预备阵地转移，支援第二战区作战。
在军事布局上，为了阻止日军沿着正太铁路长驱直入，中国军队计划沿正太铁路设置三道防线，每道防线依托村落和高地，分兵一部扼守。如此布局不仅可以使部队轮流作战、交替掩护，还可以防止日军迂回包抄，保障了全军侧翼安全。但是由于兵力不足，此时娘子关一线只有冯钦哉部 3 个师和第 3 军 2 个师，且全被部署在龙泉关到九龙关、马岭关 150 里宽的第一线阵地，后面没有任何预备队。如此布局，一旦日军集中兵力突破一点，全线防御将会瞬间崩溃瓦解。
1937 年 10 月 10 日，日军第 20 师团渡过滹沱河，以一部沿正太铁路西进，师团主力进攻石家庄。12 日，日军攻占石家庄，切断了平汉铁路。日军西进部队分成左右两路纵队，直扑娘子关而来。左路纵队由鲤登行一大佐指挥第 77 联队主力进入井陉，向旧关进攻，右路纵队由羽岛中佐指挥第 77 联队一部沿正太铁路攻击前进。
10 月 11 日，日军第 77 联队向雪花山阵地发起进攻，正式拉开了娘子关战役的序幕。
负责防守雪花山的是陕军赵寿山第 17 师，师长赵寿山更是一员虎将。赵寿山根据战场地形，以第 102 团防守雪花山阵地，阻击日军。
10 月 12 日拂晓，日军在飞机掩护下，开始进攻雪花山阵地。只要控制雪花山，就可以扼守公路，山下敌人很难通过。但是雪花山四面全是缓坡，登山难度并不大，这对于守军非常不利。日军在飞机掩护下反复冲锋，却始终被守军阻挡，鏖战一天，未能夺下一寸阵地。但在 12 日黄昏 7 时左右，日军一部却突破了 49 旅刘家沟阵地，迫使 49 旅向旧关方向撤退。13 日，得到增援的日军再次猛扑雪花山阵地，遭到守军英勇抵抗，再次铩羽而归。战至夜晚时分，第 17 师主动出击，向长生口方向日军反击，收复刘家沟、长生口和井陉南关车站。
然而就在 17 师反击顺利之际，守卫雪花山阵地的 102 团团长张世俊在敌人强势猛攻之下，违反命令，放弃阵地后撤。赵寿山得知后怒不可遏，当即处死张世俊，以立军威。随后赵寿山率部反攻，意图夺回雪花山阵地，但在日军强大火力之下，反攻最终失败。于是 17 师被迫退到乏驴岭一带重新布防。至此，雪花山失守，日军以一部兵力据守雪花山，大部兵力紧随 17 师，直扑乏驴岭。
13 日，日军第 77 联队主力向旧关猛扑过来。旧关是 17 师和第 3 军的结合部，兵力薄弱，是娘子关防线上的一处破绽。
27 路军军长冯钦哉判断出日军进攻方向，派工兵营和特务 4 连前往旧关，迎战西进日军。
日军炮兵千余人、伪满军百余人向旧关守军发起猛攻。一时间，旧关炮声隆隆，飞沙走石，地动山摇。由于守军仓促迎战，局势瞬间岌岌可危，战至 13 日下午 2 点，旧关失守。
旧关的失守对于娘子关一线中国军队打击十分巨大。从地理位置上看，旧关位于娘子关以南，是娘子关的右门户，其重要性不言而喻。旧关失守，相当于截断了娘子关的后路，娘子关也就无险可守。
但此时旧关周围，中国军队仍然占据优势，完全可以趁日军立足未稳，调集重兵反攻夺回。碰巧此时奉命前来增援的孙连仲第 26 路军抵达娘子关，其部 27 师被作为主力反攻旧关。
27 师以一部兵力进攻旧关，一部兵力向旧关以南新关阵地推进。同时，12 师 35 旅以及补充团赶到战场支援，占领了甘桃驿阵地。如此一来，中国军队对旧关日军形成了反包围之势，孙连仲见状，立即派出一部兵力在大小龙窝、核桃园一线阻击西进增援日军。
日军右路纵队切断正太铁路后，派出一个大队占领了地都南方高地。鲤登行一见状，立即派出部分兵力向地都前进，意图与右路纵队会合。
然而 27 师 79 旅早已严阵以待，在关沟地区将向地都前进的日军三面包围，经过一番惨烈的大战，歼灭了大部分日军。残余日军被迫退回原地。关沟一战后，中国军队继续反攻日军，但是却遭到了日军拼死反抗。
这场轰轰烈烈的反击战进行了整整两日，歼灭日军 500 多人。但是日军在飞机、大炮掩护下，依靠强大火力顽强抵抗，多次击退中国军队。中国军队拼死进攻，但旧关始终未能夺回，双方大战陷入胶着状态。
此时从井陉方面源源不断有日军开出，直奔旧关而来。若是不能夺回旧关，一旦日军援兵抵达，那么就彻底没有机会夺回旧关。
于是，为了尽快夺回旧关，东线战场总指挥黄绍竑再次布置兵力，将赶来增援的第 3 军作为反攻旧关的主力，命令 27 师肃清关沟日军，并派出主力在龙窝附近切断日军后方联络，同时以小部兵力协助第 3 军反攻旧关。
于是，中日双方在旧关新一轮大战即将打响。
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