卫立煌和傅作义判断,当面日军攻击受挫,需要整理态势并等待增援,之后才能重新发动攻势,遂立即决定乘势发动反击。
卫立煌从忻县前线指挥部致电阎锡山,告知准备动用预备部队从中央兵团地域出击。阎锡山立即命令左右两翼兵团部队向敌后运动,阻击日军的增援;命令左翼的第六十八、第七十一师加入中央兵团的作战序列,以厚兵力。
卫立煌和傅作义共同策划了反击作战的要领,即以郝梦龄的第九军(欠第四十七师)附李仙洲的第二十一师,在现阵地抵抗日军的进攻;以卫立煌的第十四集团军由大白水附近、傅作义的第七集团军由忻口附近联合出击,从左右两路对当面日军实施夹击。
10月14日凌晨一时,卫立煌下达了全线反击的作战命令:
一、右翼兵团,应以主力于明(十四)日拂晚向桃园、北郭下之敌攻击,与第七集团军密切联系,竭力威胁原平南北敌之增援部队,并控制一部于峙峪附近,依情况进出于原平以北地区,截敌退路。
二、中央兵团,须于本(十三)日晚,歼灭侵入南怀化附近之敌,确保原阵地,为第七集团军出击之支援。
三、左翼兵团,应于明(十四)日拂晓,以主力逐次向永兴村及其以北高地之敌包围攻击;一部先与第七集团军协力击灭侵入南怀化之敌后,再向王家庄、安家庄一带攻击。
四、第七十一师,着于本(十三)日黄昏前,接替阎庄、水油沟迄山水村一带第十四军及八十五师阵地之守备,并为该军出击的支援,尔后即归第十四军李军长(李默庵)指挥。

10月13日夜,参加反击作战的中国军队均已抵达忻口以北界河铺附近的出击位置。
从军事角度上看,卫立煌的反击计划是正确和果断的:以攻为守,在条件允许的情况下,不失为积极防御的有效手段,而这种积极防御的理念是抗战爆发后中国军队最为缺乏的。
但是,此刻在忻口战场发动大规模的反击作战,理应注意这样一个前提:尽管当面日军攻击受挫,但未到无力攻击的地步,也未到必待增援的境地。日军在十三日攻击未果的情况下,十四日也许会发动更大规模的攻击,而重点很可能是中国守军中央兵团的阵地,即目前李仙洲的第二十一师的阵地。——那么,卫立煌是否想到过,一旦第二十一师既是日军攻击的主要方向,同时又是中国军队反击作战的主要方向——敌我两军迎头相撞,将会出现何种景象?
无法得知当面日军是否掌握了中国军队的情报——当中国守军全面反击作战开始时,当面的日军也同时发动了进攻。
凌晨二时,云中河岸边,中日两军瞬间就冲撞在了一起。
按照作战计划,董其武的二一八旅向云中河北岸扑过去。在通过河上的一座木桥时,受到当面日军机枪的严密封锁,四二〇团二营机枪连连长王星明等二十多名官兵阵亡。该旅冒着伤亡继续攻击前进时,接到了增援南怀化阵地的命令。
南怀化位于界河铺的西北方向,是中国军队忻口一线阵地的核心支撑点,阵地上的守军是第九军五十四师一六一旅。日军在猛烈炮火的支援下,向一六一旅三二二团三营的阵地轮番攻击。三营出现严重伤亡后,一营增援而来,被迫与日军展开残酷的白刃战。
日军突破了南怀化阵地前沿,中国守军退入南怀化村中,在日军的连续攻击下,后又被迫退到村外的小高地上。为了封堵南怀化阵地的缺口,第九军军长郝梦龄亲赴前沿督战,指挥部队连续反击,与日军在南怀化村几进几出。
三二二团团长戴慕贞、团附赵子立以及三名营长身负重伤被抬了下去,全团伤亡已达千人以上。
郝梦龄命令董其武的部队增援南怀化后,中国守军在阵地前组织起突击队,轮番向日军发动反击,但南怀化阵地依旧没能收复。
郝军长将还在阵地上的三二二团官兵进行了合编,他对这些已经苦战多日的官兵说:“一天不死,抗战任务一天不能算完。出发前,我已在家中写下遗嘱,不打败日军决不生还。现在我同你们一起坚守此阵地,决不先退。我若是先退,你们不管是谁,都可以枪毙我;你们不管是谁,只要后退一步,我立即枪毙他。你们敢陪我再次坚守阵地吗?”
官兵们齐声高喊:“誓死坚守阵地!”
合编后的部队再次发起反击,试图收复南怀化阵地。日军集中了三十多架飞机、三十余辆坦克和数十门火炮向南怀化猛炸猛轰,致使中国守军置于如雨的弹片中。

值得注意的是,日军使用的是轻型坦克,这要是放在欧洲战场就是个活靶子,但是中国落后的生产能力决定了我们没有能够打坦克的火炮——不说无后坐力炮——就是普通的山炮——也是严重缺乏——英勇的中国军人付出了巨大的牺牲。
三二二团二营副营长翟洪章,刚刚接替了一营长的位置,他带领五名传令兵躲进一个临时挖出的掩蔽部里,“不料一颗炮弹恰落其上。掩蔽部被炸塌,五名传令兵全被炸死”。
当翟营长从泥土中把自已刨出来时,发现“身上溅满了鲜血和脑浆”。
翟营长请求郝军长增援,郝梦龄给他的回复是:“战在何处,死在何处。”——悲壮之处在于,前线阵地处处危急——没有多余的兵力可以支援。当时要是有几门重炮远程火力支援该有多好?但是,这时的战场形势是:我们没有重炮支援,我们有的只是奋勇杀敌的决心和坚强的抵抗意志——前沿将士巨大的伤亡令人泪目。
二一八旅派出四三六团前往增援南怀化。董其武率领着四二〇团继续执行反击作战任务。团长李思温命一营营长张世珍部为主,三营后续跟进,二营为预备队,全团冲进了位于南怀化西北方向的弓家庄。
弓家庄里的日军没有想到中国军队会直接冲进来,慌乱中开始向村外溃逃,遭到预伏在村外的三营官兵的截击,双方混战在一起,日军死伤狼藉。
三营七连连长杨子西、九连连长范希文等百余名中国官兵阵亡。接着,二一八旅继续向东泥河攻击,将在村里正在吃饭的日军歼灭大半,可随后就受到日军坦克反击,部队再次出现巨大伤亡,董其武旅长负伤。

此时,在忻口一线,中国军队中央兵团的所有阵地都已处在日军不间断的凶猛攻击下。在弹片横飞的前沿阵地上,一颗子弹射进了二十一师师长李仙洲的左胸:
时至中午,我与郝军长、庄村夫团长在半山腰观察敌情。我正在与团长讲话时,突然感觉有个东西碰了我左胸部一下,当时也没在意,就同他们往山顶爬。郝军长发现我背后有血,大声说:“李师长,你受伤了!”我说:“没事,好像是什么碰了我一下。”“还说没事!子弹都从你的背后穿过来了!”郝军长说着给我吃了点白药,这时我还清醒。当包扎时,我就昏迷过去不省人事了。——师长战场受伤——只能吃点白药——落后的战场救护令无数伤员鲜血流尽倒在了战场上。
士兵们把李师长抬下山的时候,军医认为胸腔里有瘀血没有流出来,要求把昏迷的李师长头朝下抬着以控出瘀血,士兵们不忍心这么做,还是头朝上把李仙洲抬到了后山师部。
接着,李仙洲被转送到汾阳一家美国教会医院,院长亲自给他做了手术,言子弹从左胸进入、后背出来时李师长恰在“呼气之瞬间”——“心脏向回收缩,子弹在肺叶中间穿过去了。若是在吸气的瞬间,子弹就会打穿肺脏,当时就完了。”两个月后,幸运的李仙洲师长——或许这种幸运来自抗日的决心——伤愈归队,晋升为第二十九军军长。

10月14日晚八时许,卫立煌率独立第五旅来到前沿。
他发现前线部队太多,伤亡严重,且指挥很不统一,于是重新调整了部署:命令陈长捷指挥二十一师,独立第二、第三旅(欠第四团),新编第四旅,负责扫清南怀化之敌;命令郝梦龄指挥五十四师,独立第三旅的四团,二一八、二一七旅,担任正面防御并向日军再次实施反击作战。
10月15日,左翼中国军队第十师的大白水村阵地,受到日军在三十多辆坦克引导下的持续攻击。中国官兵最痛恨的就是日军的坦克,他们打坦克的山炮很少,只能在阵地前挖出很深的反坦克壕沟。
日军的坦克被阻挡后,中国官兵便用机枪向日军步兵射击,壕沟的底部很快就被日军的尸体覆盖。中国守军为对付日军的坦克使用了各种方法:“先往坦克上浇汽油,再投以手榴弹;或是冲到坦克前面,把手榴弹塞到履带里。英勇的战士为了往日军坦克履带中塞手榴弹,手指被辗断者有许多人。”

李默庵的十四军第十师,其武器装备在中国陆军中可算精良:每个步兵连有九挺捷克式轻机枪和七十五支中正式步枪,每个重机枪连有六挺马克沁重机枪和六门迫击炮,这使得每个营的阵地上能够配备二十七挺轻机枪、六挺重机枪、两门迫击炮和二百五十支步枪,另外还临时配备了两门德制的战防炮。
但是,面对日军坦克的集团冲锋,大白水村阵地还是危机重重。有限的反坦克战防炮击毁了几辆日军坦克后,立即招致日军报复性的炮击——“十几门大炮集中轰击,雨点似的炸弹、炮弹和飞机上的机枪子弹,不过十几分钟,就把一个战防炮排阵地炸得血肉横飞,尘土漫天,战防炮排的官兵完全与阵地共存亡,无一幸存者。”
日军在炮击之后趁势冲锋,冲锋时竟把从中国百姓那里抢来的大群牛羊赶在前面挡子弹。
第十师官兵与日军在大白水村里激战多时,大白水村阵地依旧在中国守军手中。
董其武旅长负伤后,孙兰峰接替指挥,二一八旅奉命攻击威胁中国守军进攻的旧河北村日军阵地。四二〇团攻入村庄后,在一座院落里发现了数名脸上抹了锅灰的妇女,其惊恐万状的样子令官兵们心里十分酸楚。攻到最后一座大院子时,残存的日军龟缩在内不肯投降。
突然,从院子里跑出来一个十来岁的小女孩,中国官兵的射击骤然停止。
小女孩来到我们面前,声音颤抖地说:院子里的日本鬼子叫我告诉你们说,如果你们不开枪,他们就向西北走。我们照顾好小女孩,仍用中国话喊“缴枪不杀,优待俘虏”等语,但仍不见动静。最后两位李团长商定,派人上房投弹歼敌。随即竖起了梯子,二十余人上房顶,伏在外坡向里投手榴弹。敌人虽多死伤,但始终不肯投降……垂死之敌不肯投降,见房顶上有人,即由房内向房上穿射,致使伏在房上的三排排长张玉山等十余人壮烈牺牲……我军决定火烧大院,全歼该敌。大家积草堆柴,引火烧房。十几分钟,院内敌人始得全歼。
这一天,中国空军第二十七大队的两架战机自汾阳机场起飞,于凌晨五时三十分轰炸了位于崞县的日军阵地,十分钟后安全返航。
六时十五分以及八时十分,两架中国战机再次轰炸了崞县日军阵地,返航时遭遇四架日军驱逐机的拦截,中国飞行员苏英祥、廖兆琼阵亡,飞机残骸坠落于忻县附近。十四时三十分,中国空军七大队和十二大队的战机再次起飞,轰炸目标是崞县西北日军运输线上的一座桥梁,因投弹偏离没有命中,好在战机安全返航。
忻口激战的同时,根据第二战区的作战计划,八路军继续深入敌后顽强袭扰。一一五师三四四旅将从灵丘方向开来的一百三十多辆日军汽车堵在了小寨村附近,尽管日军派出一个大队增援,但三四四旅死顶不退,日军被迫撤回了灵丘。
该师独立团和骑兵营在广灵以南的冯家沟伏击了日军第五师团的第二运输队,毙伤日军百余人后,先后克复广灵、紫荆关、易县、灵丘和蔚县。八路军一二○师在忻口的右翼,先后占领了攻击忻口日军的数个后方要点,并向原平附近出击,破坏了大同至太原的公路,严重打击了日军后方补给线——也打击了日军士气。
但是,忻口全线的关键支撑点南怀化阵地,仍在日军手中。