国共两党配合默契，在平型关之役、忻口之役中重创日军，1937年9月—11月间进行的太原会战，乃是抗战爆发后，中日双方在华北进行的第一场大规模会战，也是国共两党在战场最默契的一次配合。日军出动4个半师团约14万人，意在消灭中国第二战区主力，夺取太原。中国方面有6个集团军约28万人参战，计划歼灭来犯之敌，遏制日军在华北的攻势。
太原会战主要包括平型关战役、忻口战役、娘子关战役、太原保卫战等。大同失守后，日军第5师团、察哈尔兵团向平型关前进，意图抄雁门关后路，夹击太原。为防御日军，阎锡山布置了8个军近10万人参加平型关战役，其中包括林彪任师长的115师。
在此次战役中，中国军队历经团城战斗、平型关战斗、鹞子涧战斗、茹越口战斗等大小战斗，与日军激战近20日。尤其是115师发动的平型关战斗(即通常所说的”平型关大捷“)，歼灭日军四五百人，打破了“皇军不可战胜”的神话。
接下来的忻口战役中，阎锡山将主力部队分为左、中、右三部分，其中右翼指挥官为第18集团军(八路军)总司令朱德。日军被忻口前线国军阻击20余日，其后方及交通线又被八路军的游击战所威胁，一度陷于被动。
但10月26日娘子关失守，使忻口的侧背受到威胁，阎锡山被迫下令撤守忻口。忻口战役中，中国军队奋勇杀敌，军长郝梦龄、师长刘家麒等将领殉国;日本军官大田雄太郎都在原平，为对手国军196旅立了一座慰灵塔，上书“为永久追悼在原平战争中战死的4300名无名战士亡灵设立慰灵塔”。
此时太原已岌岌可危，奉命守城的傅作义实力薄弱，据称其所部仅“新旧各六团，皆经过作战损失之余每团仅二百余人者，计实数战斗兵共约六千余”。
兼之太原“守城官兵当全省局势一再失利连溃之余，对于守城任务多而生畏，再加以临时拨之新编各团，既无训练，而精神世界又不连贯，未见敌人，先行逃散”。因此面对日军进攻，太原仅仅守了四天即告陷落。
在会战中，中国军队以伤亡13万人的代价，给日军造成约2.7万人的伤亡，依旧没能守住太原城。如黄绍竑所说，“这次战事，打破了山西军善守的传说。其实并不是山西军不善守，而是现代的火器太厉害了。以我们古旧的城堡与劣势的火器，要作长久的固守是不可能的、不但山西如此，以后的南京，以及各地的防守战都是如此。”
具体来看，参加太原会战的中国军队“装备窳劣陈旧，如炮兵约为日军三分之一，空军战机为日军十分之一。因此中国空军既不能获得制空权，又不能支援地面部队作战;炮兵亦多分散使用，不能充分发挥威力。
日军有战车、装甲车、野战重炮，国军则无，仅凭步兵与训练精良、装备完善的日军决斗，且通信器材不足，影响各部队间之联系甚大，致遭受惨重损失。”中日双方间的这种强弱对比，直至战争结束也未能改变。
太原沦陷后，毛泽东曾判断：华北国军的“正面战争”已经结束，中共虽在太原会战中配合了国民政府制定的作战计划，被誉为国共两党在抗战中合作的“一次典范”，但中共并未改变改编时所提条件：中共的抗战方针“只在整个战略方针下执行独立自主的分散的游击战争。
而不是阵地战，也不是集中作战，因此不能在战役战术上受束缚，只有这样，才能发挥红军的特长，给日寇以相当打击。”毛泽东为八路军指定的战略方针是“独立自主的山地游击战”。
太原沦陷后，中共看到了转向敌后游击战的可能。毛泽东说，“在华北，以国民党为主体的正面战争已经结束，以共产党为主体的游击战争进入主体地位。”同时，毛泽东还具体指出。
“山西各军大溃……正规战争结束，剩下的只是红军为主的游击战争了，山西统治阶级及各军领袖已动摇无主了”“红军任务在于发挥进一步的独立自主原则，坚持华北游击战争，同日寇力争山西全省的大多数乡村，使之化为游击根据地，发动民众，收编溃军，扩大自己，自给自足，不靠别人……”
毛泽东给八路军划定游击地区，“第115师一部以五台山为中心，向察南、冀西发展，创建晋察冀边区抗日根据地……第120师依托管涔山，以晋西北为中心，伸向晋察绥边……第129师以晋东南为支点，开展太行山脉的游击战争……”指示他们开展敌后游击战。
但是此时还有大批中国军队留在山西境内，包括晋军、中央军、西北军、东北军、川军和八路军等，继续战斗。因此，在1938年初期，八路军并没有真正转入敌后，其主力部队依旧与中央军、晋军等联合作战。
八路军活动的几个地区，只有晋察冀属于敌后，其他晋西北、晋西、晋东南几个地区，都在沦陷区与未沦陷区之间，属于日军侧翼。
直到1938年4月，中共中央发布《对平原游击战指示》，指出“在河北、山东平原地区广泛的发展抗日游击战争，坚持平原地区的游击战，也是可能的”。在这之后，八路军除在晋东南、晋西北留下小部分人外，大部都转入了华北敌后作战。
至于山西境内，1941年中条山会战前，日军还称“卫立煌指挥的二十六个师，在山西南部黄河北岸地区构成了坚固的阵地，成为扰乱华北，尤其是山西的主要根源。”到了“蒋系军在华北最后的地盘由于中原会战(即中条山会战)失掉以后，共产军(八路军)显然成为扰乱华北治安的主要敌人。”
