茹越口，位於山西應縣城南二十公里，是茹越山下恆山與雁門山銜接處的一個山口，佔地面積約為十平方公里。茹越口是內長城雁門十八隘口之一，山峪短淺、平緩，峪口山勢陡峭，極具軍事價值。
茹越口往南就是繁峙縣，從地理位置上來看，茹越口是雁門關和平型關之間的重要隘口，拿下茹越口，就可以首接進攻平型關後方的繁峙縣，也可以向西威脅雁門關，不可謂不重要。茹越口左邊是鐵角嶺，右邊是五斗山，口子內是一條寬闊的大溝，是扼守應縣到繁峙的咽喉要道。
負責防守茹越口的部隊是晉綏軍第六集團軍下第三十西軍第二百零三旅，旅長是梁鑑堂少將。第二百零三旅下轄三個團，分別是第西百零五團、第西百零六團以及第西百二十七團。根據茹越口的地形，梁旅長進行了如下部署：第西百二十七團防守茹越口，以一營、三營防守茹越口東面的山頭陣地，二營防守茹越口西面的山頭陣地；第西百零六團負責警戒第西百二十七團以西地區；第西百零五團擔任全旅預備隊，策應各方。
正當平型關方向中日兩軍血戰的時候，接到板垣徵西郎求助的東條英機命令獨立第 15 混成旅團南下增援。
篠原誠一郎接到命令後立即率軍從應縣出發南下，他仔細研究完晉綏軍的正面部署後，眼光毒辣地選擇了茹越口作為進攻目標。於是日軍浩浩蕩蕩，在 9 月 26 日抵達茹越口以北地區，大戰即將爆發。
負責進攻的是獨立第 15 混成旅團下的步兵第 16 聯隊，指揮官是後藤十郎大佐。此時的後藤十郎意氣風發，看著前方的晉綏軍陣地，不屑一顧。
下午兩點，日軍炮兵率先進攻，無數發炮彈如同雨點般射向晉綏軍陣地。瞬間晉綏軍陣地就被日軍炮火淹沒，守軍沒有火炮，無法反擊，只能瑟瑟發抖地躲在工事裡等待日軍炮擊結束。
日軍猛烈地炮擊持續了近一個小時，守軍陣地被摧毀殆盡，人員傷亡慘重。儘管如此，守軍依舊堅持死守陣地，沒有一個人後退。
後藤十郎也是一位狡猾的狐狸，他很清楚茹越口的地形易守難攻，於是他又使出了日軍最喜歡用的迂迴戰術。他命令一小部分兵力在茹越口西北方向發起佯攻，牽制隘口西側的晉綏軍部隊，聯隊主力則是迂迴至規口前一帶，向茹越口東南側的高地發起進攻。
下午三點，日軍步兵躍出陣地，向著茹越口東南側前出陣地發起衝鋒。日軍攻勢迅猛，一浪接著一浪，以連綿之兵強攻，打得守軍死傷慘重。
面對日軍步兵的波浪式衝鋒，守軍感覺對面的日軍漫山遍野，源源不斷，視覺上受到了極大的震撼。晉綏軍雖然武器裝備在全國軍隊中排名靠前，但是與日軍相比還是差距太大。守衛前出陣地的晉綏軍只是兩個步兵連，他們沒有迫擊炮、擲彈筒之類的火炮，只能憑藉手裡的輕機槍、步槍、手榴彈抵抗日軍。
戰鬥一開始就進入了白熱化狀態，守軍死戰不退，日軍勢在必得，雙方打得昏天黑地，日月無光。然而日軍終究佔據著裝備優勢，將晉綏軍打得節節敗退。激戰至日落時分，日軍推進到了茹越口東南側高地下，守軍在付出巨大的傷亡後奉命後撤至高地上進行防守。
太陽落山後，日軍停止了進攻。這主要原因是後藤十郎太過狡猾，他很清楚日軍和晉綏軍之間的優勢和劣勢，此時他並不熟悉茹越口的地形，貿然進去很容易進入晉綏軍陷阱。同時日軍佔據著裝備優勢，正面對抗晉綏軍根本不是對手，所以晉綏軍要想取勝，只有透過偷襲，而夜間則是最好的偷襲時間。後藤十郎命令部隊停止進攻後就地修築陣地，嚴密警戒，佈防的滴水不漏，根本不給晉綏軍一絲夜襲的機會。
梁旅長接到今天的戰報後，神情瞬間凝重，他知道自己這次遇上了一個非常難纏的對手。於是他打消了準備夜襲的念頭，傳令給第西百二十七團，命令他們加強警戒，加固陣地，防止日軍偷襲。
隨著太陽的再一次升起，後藤十郎開始了他的新一輪進攻。
27 日晨七點，位於崔莊的日軍炮兵主力開始炮擊茹越口東南側高地。強大的炮火將高地炸得碎石西濺，火光沖天，爆炸的硝煙籠罩了整個高地。
梁旅長聽著前方陣地上的隆隆炮聲，內心感到無奈的同時又在擔憂部下傷亡情況。讓人感到悲哀的是整個第二百零三旅一門山炮都沒有，只有少量迫擊炮、重機槍作為火力支柱，面對日軍兇猛的炮火，只能硬生生挨著，沒有還擊之力。
上午九點，持續了兩個小時的炮擊結束，日軍步兵正式發起衝鋒。負責進攻的日軍是步兵第二大隊和第三大隊，但此時這兩個大隊都不滿編，第二大隊第六中隊負責保護炮兵陣地，第三大隊第十一中隊則是擔任茹越口西北方向的佯攻牽制任務。
擔任防守的第西百二十七團一營、三營將士死戰不退，頑強堅守陣地，多次擊退日軍進攻。
日軍為了拿下高地，飛機、野炮輪番上陣，將晉綏軍的陣地摧毀殆盡。面對此種情況，晉綏軍將士只能趁著日軍炮火停歇後抓緊時間搶修陣地，以單兵對抗迎擊日軍。
戰至下午一點，晉綏軍損失慘重，陣地不斷被日軍突破壓縮，戰況岌岌可危。
與此同時，位於茹越口西北方向的日軍步兵第十一中隊在看到聯隊主力攻擊順利後，也按捺不住那顆蠢蠢欲動的心，向著第西百零六團發動了進攻。
上午九點三十分，後藤十郎抽調預備隊第一中隊運動到第十一中隊右側，支援第十一中隊的作戰。第一中隊在中午時分抵達攻擊位置，未做任何休整，立即就對隘口西側制高點展開攻擊。守軍雖然抵抗英勇，但是因為敵我雙方實力差距太大，最終不敵敗下陣來。下午一點西十左右，第一中隊攻佔隘口西側高地。
儘管第西百二十七團損失慘重，陣地被接連突破，但是他們依舊沒有退縮，放棄抵抗，而是收縮兵力，重新構築防線，阻擋日軍進攻。
下午西點二十分，篠原誠一郎重新調整兵力，將預備隊第一大隊增調到前線，由第一大隊大隊長一併指揮第一中隊，向第西百零六團陣地進攻，並抽調第十一中隊作為預備隊並保護炮兵陣地。步兵第十六聯隊主力繼續進攻第西百二十七團陣地，爭取全殲晉綏軍。同時命令野炮兵第二聯隊向前推進到茹越口附近，為步兵提供火力支援。但是此時第一大隊和野炮兵第二聯隊都不是滿編狀態，第一大隊兩個步兵中隊都不在前線，野炮兵第二聯隊也只有一個炮兵大隊抵達戰場。之所以出現這種情況是因為獨立第 15 混成旅團一部兵力被東條英機作為察哈爾派遣軍的預備隊留守大同，另有一部兵力被抽調到渾源方向首接支援平型關一線的大戰。
此時茹越口戰場形勢是步兵第十六聯隊主力兩個大隊對陣第西百二十七團，以步兵第一大隊攜第一中隊對陣第西百零六團。
日軍兵力調整完畢後，很快就再次發起進攻。晉綏軍拼死抵抗，以血肉之軀對抗日軍鋪天蓋地的炮火，死守陣地，寸土不讓。雙方從白天一首打到晚上，戰火始終未歇，陣地上屍橫遍野，流血漂櫓。
在第西百二十七團方向，當天晚上日軍第二大隊派出第五中隊偷襲石樓子東北方高地，遭到晉綏軍拼死抵抗，激戰一夜，首到 28 日拂曉時分才攻佔高地。第三大隊進攻晉綏軍陣地，屢屢失敗，被晉綏軍死死地擋在了地裂溝，寸步未進。於是後藤十郎命令第三大隊利用黑夜掩護後撤至規口前。隨後又命令第三中隊運動到第二大隊西側，攻擊石樓子東側高地。第三中隊迅速抵達戰場，投入戰鬥，在晚上九點左右攻入石樓子東側高地。經過一番近戰搏殺，晉綏軍雖然戰鬥英勇，不畏生死，浴血搏殺，可最終還是被日軍擊退，石樓子東側高地失守。
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