日军占领娘子关后，第1军司令官香月清司即令第20师团发动追击，乘势进入太原。第20师团长川岸文三郎将左、右纵队改为左、右追击队；令右追击队向阳泉、平定追击；令左追击队经柏井驿向平定追击。师团本队经新关向平定前进。27日，守军全线阵地均被日军突破。守军仅余四百余人西撤。
军委会为解除晋东危急，令第一战区抽出兵力，立即向石家庄、娘子关迂回进击。但因不能及时行动，29日则令孙连仲部在寿阳以东地区占领阵地，阻敌西进。当时川军孙震部已失去联系；第26路军所余兵力仅五六千人孤军苦战，其第27师有一个营仅余六人，都未脱离战场。当天日军攻占平定。
11月1日，蒋介石急电第一战区程潜，着汤恩伯速率所部参加晋东方面作战，攻击敌军侧背。汤恩伯率第13军经林县、辽县、和顺、昔阳向平定前进，准备攻击日军之侧背。
同日，黄绍竑令第26路军占领正太路附近各高地，阻敌西进，令第30师（仅余三百多人）及河北保安队固守寿阳城；并令第22集团军在上下龙泉镇、松塔镇一带占领阵地，拒敌西进。11月2日，第30师占领寿阳东面高地，协同第31师及第3军一部与日军激战后，分向卢家庄地区转移，当日寿阳城失守。
第22集团军总司令邓锡侯感到上龙泉阵地孤立，若孙连仲部被突破，则该集团军有被包围之危，遂令第41军留一部兵力与敌保持接触，其主力转移至铜官铺、下龙泉之线占领阵地。第7军第169师于当日奉命向太原转移。
11月3日，黄绍竑令当面各守军向太原转移。阎锡山致电第18集团军总司令朱德，令其以主力牵制晋东日军，破坏交通，迟滞日军西进，掩护战区部队作防守太原的部署。
3日，当正太路正面开始转进之际，第22集团军才知寿阳失守，其第41军尚在下龙泉、松塔镇、白云村一带；4日晨，才知第26路军及第3军也向太原转移。
孙震遂于当日9时，命令第22集团军第45军第127师、第41军第122师及124师各部向太原方向转移。沿途遭到日军追击，激战至13时，守军才脱离战斗。至16时，孙震才接到黄绍竑关于3日12时转进的命令，令该集团军其余部队向太原方面转移。
当部队进至榆次地区时，遭到日军阻击，除第127师师部及379旅第757团进入北营阵地外，其余均被阻遏。6日晚，孙震则令各部队向太常镇附近地区集结收容。
日军第20师团西进，于10月29日占领平定，30日占领阳泉，11月2日占领昔阳，同日占领寿阳。日军占据了太原东面的重要城镇，极大影响了中**队的太原防御部署。