中日兩軍幾乎同時離開忻口戰場，而日軍部隊是得勝受嘉獎之師，士氣高漲，在中國軍隊的前麵到達太原。因而二戰區司令長官閻錫山布置的太原防守計劃實際上是個笑話。就任太原防守司令的傅作義手中隻有區區5000人馬，如何防守？
日軍於11月7日到達太原城北，隨即對太原展開進攻，中國軍隊在傅作義指揮下，當日擊退了日軍進攻，日軍於7日傍晚，出動了空降兵部隊，降落於太原各要點附近，於是，11月8日，太原陷落。傅作義帶了餘下的2000於人從南門撤出。
其中，日軍空降兵降落於太原兵工廠附近的一支為陳邦棟部所消滅，人數為一個中隊，約200人，都手持百部衝鋒槍。陳部趁機拆遷了太原兵工廠的部分機床設備，搶到部分無縫鋼管材料，帶走了部分工廠工人。於是，在後來的抗戰中，八路軍有了個黃崖洞兵工廠，因無鋼鐵廠等配套的原料廠，該廠的生產總是時斷時續。
太原兵工廠的被日軍奪取，使晉軍失去了可靠地軍械供應，因而實力下降的非常厲害。從此，晉軍失去在山西抗戰中的主導地位。而十八集團軍各部的遊擊戰興盛起來，有了晉察冀軍區（司令員聶榮臻，115師副師長）、晉綏軍區（司令員賀龍，120師師長）、晉冀魯豫軍區（司令員劉伯承，129師師長）等根據地。八路軍115師主力，由代師長陳光指揮，更是向東打到了山東，創立了山東軍區。中國共產黨的武裝力量分布態勢終於改變了處於陝甘一地的不利局麵。而八路軍的軍需供應主要靠各部對日軍作戰的繳獲維係。因而八路軍營團級別的軍事指揮官，對日作戰非常積極，若不積極作戰，則所部糧彈無著落。戰爭初期，一個分隊（班）日軍即可拿下一座縣城的情況，再也不會重現，反而是日軍以分隊、小隊外出，都要時時小心，莫被土八路（因每人彈藥少，故有如此稱呼）打伏擊了。因此山西人民都願加入八路軍，不願加入逢戰皆敗的晉軍。
忻口及太原會戰後，山西的形勢是日軍占了大部城鎮，但交通時時為八路軍切斷。八路軍占了大部的山村，但須小心提防日軍的掃蕩。閻錫山部龜縮於山西西南部（日軍已不將其作為打擊重點，因消滅晉軍後，八路軍隨即壯大，更是令人頭疼。）衛立煌部主要在中條山地區繼續抗戰。傅作義被國民政府軍事委員會蔣委員長任命為綏遠省主席，第八戰區司令，遠去綏遠堅持抗戰。
陳邦棟所部完成了人員的融合後，就分兵進行了大規模的遊擊作戰，走到哪裏，就將造火藥，造地雷，製燃燒瓶的方法，帶到那裏。先後收複蔚縣，陽原（以上在當時是屬於察哈爾），靈丘，渾源，代縣（以上屬於山西）等縣城多座。打的日軍運輸部隊將山西的公路視為鬼門關，輕易不願出動。由於大量使用了炸藥，繳獲的軍械經常是零部件，故而需後勤供應部門修理拚裝後才能使用。因而駐山西的日軍第一軍在無法可施的情況下，隻能將部隊沿公路駐守，大修碉堡，以保持運輸線路（這是部隊生命線）的暢通，並每時每刻都想發動對於八路軍的掃蕩作戰。