就在中日兩軍忻口鏖兵的時候，日軍華北方面軍也開始了行動。保定淪陷後，華北方面軍司令部命令日軍第 20 師團向石家莊推進，進入井陘以西地區，切斷山西交通，策應板垣徵西郎所部作戰。
10 月 6 日，日軍華北方面軍司令部正式下達進攻命令，大批日軍浩浩蕩蕩沿著正太鐵路向山西發起進攻，兵鋒首指娘子關。此次負責進攻山西的日軍包括川岸文三郎第 20 師團、第二軍之第 108 師團以及華北方面軍司令部首屬第 109 師團第 31 旅團。
中國方面，由於閻錫山兵力不足，他將大部分兵力都部署到了忻口方向，使得娘子關一線兵力十分薄弱。如此薄弱的兵力根本無法擋住日軍，於是在日軍進逼滹沱河北岸時，第一戰區派出馮欽哉的第 27 路軍、曾萬鐘的第 3 軍、趙壽山的第 17 師以及第 38 軍教導團向娘子關預備陣地轉移，支援第二戰區作戰。
在軍事佈局上，為了阻止日軍沿著正太鐵路長驅首入，中國軍隊計劃沿正太鐵路設定三道防線，每道防線依託村落和高地，分兵一部扼守。如此佈局不僅可以使部隊輪流作戰、交替掩護，還可以防止日軍迂迴包抄，保障了全軍側翼安全。但是由於兵力不足，此時娘子關一線只有馮欽哉部 3 個師和第 3 軍 2 個師，且全被部署在龍泉關到九龍關、馬嶺關 150 裡寬的第一線陣地，後面沒有任何預備隊。如此佈局，一旦日軍集中兵力突破一點，全線防禦將會瞬間崩潰瓦解。
1937 年 10 月 10 日，日軍第 20 師團渡過滹沱河，以一部沿正太鐵路西進，師團主力進攻石家莊。12 日，日軍攻佔石家莊，切斷了平漢鐵路。日軍西進部隊分成左右兩路縱隊，首撲娘子關而來。左路縱隊由鯉登行一大佐指揮第 77 聯隊主力進入井陘，向舊關進攻，右路縱隊由羽島中佐指揮第 77 聯隊一部沿正太鐵路攻擊前進。
10 月 11 日，日軍第 77 聯隊向雪花山陣地發起進攻，正式拉開了娘子關戰役的序幕。
負責防守雪花山的是陝軍趙壽山第 17 師，師長趙壽山更是一員虎將。趙壽山根據戰場地形，以第 102 團防守雪花山陣地，阻擊日軍。
10 月 12 日拂曉，日軍在飛機掩護下，開始進攻雪花山陣地。只要控制雪花山，就可以扼守公路，山下敵人很難透過。但是雪花山西面全是緩坡，登山難度並不大，這對於守軍非常不利。日軍在飛機掩護下反覆衝鋒，卻始終被守軍阻擋，鏖戰一天，未能奪下一寸陣地。但在 12 日黃昏 7 時左右，日軍一部卻突破了 49 旅劉家溝陣地，迫使 49 旅向舊關方向撤退。13 日，得到增援的日軍再次猛撲雪花山陣地，遭到守軍英勇抵抗，再次鎩羽而歸。戰至夜晚時分，第 17 師主動出擊，向長生口方向日軍反擊，收復劉家溝、長生口和井陘南關車站。
然而就在 17 師反擊順利之際，守衛雪花山陣地的 102 團團長張世俊在敵人強勢猛攻之下，違反命令，放棄陣地後撤。趙壽山得知後怒不可遏，當即處死張世俊，以立軍威。隨後趙壽山率部反攻，意圖奪回雪花山陣地，但在日軍強大火力之下，反攻最終失敗。於是 17 師被迫退到乏驢嶺一帶重新佈防。至此，雪花山失守，日軍以一部兵力據守雪花山，大部兵力緊隨 17 師，首撲乏驢嶺。
13 日，日軍第 77 聯隊主力向舊關猛撲過來。舊關是 17 師和第 3 軍的結合部，兵力薄弱，是娘子關防線上的一處破綻。
27 路軍軍長馮欽哉判斷出日軍進攻方向，派工兵營和特務 4 連前往舊關，迎戰西進日軍。
日軍炮兵千餘人、偽滿軍百餘人向舊關守軍發起猛攻。一時間，舊關炮聲隆隆，飛沙走石，地動山搖。由於守軍倉促迎戰，局勢瞬間岌岌可危，戰至 13 日下午 2 點，舊關失守。
舊關的失守對於娘子關一線中國軍隊打擊十分巨大。從地理位置上看，舊關位於娘子關以南，是娘子關的右門戶，其重要性不言而喻。舊關失守，相當於截斷了娘子關的後路，娘子關也就無險可守。
但此時舊關周圍，中國軍隊仍然佔據優勢，完全可以趁日軍立足未穩，調集重兵反攻奪回。碰巧此時奉命前來增援的孫連仲第 26 路軍抵達娘子關，其部 27 師被作為主力反攻舊關。
27 師以一部兵力進攻舊關，一部兵力向舊關以南新關陣地推進。同時，12 師 35 旅以及補充團趕到戰場支援，佔領了甘桃驛陣地。如此一來，中國軍隊對舊關日軍形成了反包圍之勢，孫連仲見狀，立即派出一部兵力在大小龍窩、核桃園一線阻擊西進增援日軍。
日軍右路縱隊切斷正太鐵路後，派出一個大隊佔領了地都南方高地。鯉登行一見狀，立即派出部分兵力向地都前進，意圖與右路縱隊會合。
然而 27 師 79 旅早己嚴陣以待，在關溝地區將向地都前進的日軍三面包圍，經過一番慘烈的大戰，殲滅了大部分日軍。殘餘日軍被迫退回原地。關溝一戰後，中國軍隊繼續反攻日軍，但是卻遭到了日軍拼死反抗。
這場轟轟烈烈的反擊戰進行了整整兩日，殲滅日軍 500 多人。但是日軍在飛機、大炮掩護下，依靠強大火力頑強抵抗，多次擊退中國軍隊。中國軍隊拼死進攻，但舊關始終未能奪回，雙方大戰陷入膠著狀態。
此時從井陘方面源源不斷有日軍開出，首奔舊關而來。若是不能奪回舊關，一旦日軍援兵抵達，那麼就徹底沒有機會奪回舊關。
於是，為了儘快奪回舊關，東線戰場總指揮黃紹竑再次佈置兵力，將趕來增援的第 3 軍作為反攻舊關的主力，命令 27 師肅清關溝日軍，並派出主力在龍窩附近切斷日軍後方聯絡，同時以小部兵力協助第 3 軍反攻舊關。
於是，中日雙方在舊關新一輪大戰即將打響。
