与此同时，倭军摩托化部队在数百辆卡车的运载在由团城口西进。
徐棠遂决心固守阵地，以等援军到达，再行反击。乃令第217、第218旅分别撤至忻州附近重新集结。
第45师界河铺北岸之一部亦撤至界河铺以南占领预备阵地。并以第4军军长李晓平为中央集群总指挥，第6军军长陈章为副总指挥。
是日24时，徐棠又对部队部署作了调整，将左、中、右翼集群，分别配置于张家庄、灵山、界河铺、大白水、南峪之线阵地，待后续部队到达，再由两翼转移攻势，包围歼灭当面之敌。
4月17日至19日，倭军陆空协同不断向帝国军之灵山、南怀化东北高地、官村、大白水等阵地猛烈攻击。
守军击毁其坦克、装甲车各四十余辆，使倭军攻击未能得逞。
自20日起，倭军先后对帝国军各阵地施放大量催泪性毒气，并向守军阵地实施爆破。
4月22日，倭军增援部队也投入了战斗。
守军顽强抗击，并适时组织反突击，双方形成拉锯战，战至5月1日，守军虽战斗人员伤亡三分之二以上，平均每天打光两个团的兵力，但阵地仍巍然屹立。
还在倭军准备向忻州进犯时，防卫军一部即根据总指挥秦牧的部署，绕过战争激烈的忻州一线，深度敌后，向敌侧后展开了积极主动的攻击。
倭军后勤遭到打击，后方遭到防卫军的威胁，不得不暂缓攻势。
在忻州激战的同时，倭军另一支主力攻破了娘子关，太原府陷入岌岌可危的地步。
龙百川为集中兵力固守太原府，遂决定忻州守军全线撤退。
他的请求得到了帝都方面的同意。
根据龙百川的请求，徐棠于5月2日下令，对部队的编成、任务区分作了明确的规定。
其要旨如下：以帝国军第5、第7军等部为右集群，第5军军长胡家鑫为集群司令，以主力确保莱水墕、川套里、窑子上之线阵地。
以帝国军第4、第16军，第3军一部及第21、第47、第54、第72、第73师等部为中央集群，第4军长李晓平为兵团司令，其主力配置于西黄水、育龙镇至周家山之线阵地。
以帝国军第6军及第7、第9师等部为左兵团，第6军军长陈章为兵团司令，其主力配置于观象坡至西青善及东墕村至天门关之线阵地。
炮兵主力占领凤楼阁、阳曲镇及栏岗村等阵地。
以晋军第8师及独立第5旅、第529旅为总预备队，分别配置于太原、新城村、新店村附近。
防卫军和帝国军的空军则负责轰炸由忻州南进之敌。
各集群接受命令后，当即于2日21时开始向指定位置转移。
在忻州撤守的同一天，龙百川在太原府召开军事会议，确定保卫太原府的方针是：“利用太原府四周既设阵地线，实行依城野战，以阻敌前进，消灭其兵力，待我后续兵团到达，再施行反攻夹击而聚歼之。”
同时，秦牧委任徐棠为太原府保卫战总指挥，部分晋军外，其余参战部队均归其指挥，并委任朱民兼太原府镇守使。
晋省战区总指挥部所移驻交城。
5月4日，龙百川等晋省高层纷纷撤离太原府。
晋北倭军在获悉忻州守军撤退后，遂跟踪追击。
5月4日，逼近石岭关。
鉴于原预设阵地已难以立足，徐棠遂决定将阵地转移于太原府北郊。
与此同时，晋东方面被熊军击退西撤之部队，除第17、第27师撤向太原府附近外，其余部队均遭倭军截击，被迫向榆次西南撤退。
5月6日，由忻州南下和沿正太路西进的倭军相继逼近太原府城郊。
徐棠除抽调第68师、第71师及独立第7旅等部增援帝国军第四集团军守备太原城外，将主力转移至太谷、交城之线，以阻止倭军沿同蒲路继续南侵。
在外围防守部队相继南撤后，守卫太原府的部队，仅有第35军的9个营及独立第1旅、第213旅等部10个营，共约19个营的兵力。
奉命增援守城的部队，除独立第8旅之1个营于6日21时渡过汾河，进入城内外，其余部队均因受阻而循汾河西岸南撤。这样，“依城野战”变成了“孤城独战”。
5月7日，东、北两路倭军在太原府附近之狄村、双塔寺等地会合，太原城西汾河河上各桥均为其占领，太原城被敌四面包围。
倭军以步、炮联合攻城，并出动飞机向城内狂轰滥炸。
激战竟日，城外守军大部壮烈牺牲，余部于黄昏撤入城内据守。入夜，朱民中将亲自登城指挥，鼓舞士气。
由于侧翼被倭军牵制，防卫军无法及时援救太原城，秦牧遂调遣铁卫军第一装甲军在空军的掩护下趁夜色突破倭军的阻援部队，星夜兼程支援太原城。
5月8日晨，倭军凭借优势火力继续攻城。
战至9时，城垣东北角及西北角被倭军轰陷，东、北两面城墙亦被轰开突破口十余处，敌趁机向城内猛冲。
帝国军守军将士奋勇截击，至午后4时始将各突破口封锁，仅在东北城角一处，仍与敌万余人展开激烈巷战。
黄昏后，倭军一部空降于城中大校场，并四出袭击。
守军官兵奋力血战，付出了极大的伤亡，致使倭军始终无法攻破帝国军最后的阵地。
战至九日拂晓，铁卫军第一装甲军终于赶到太原城战场，随即立刻投入战斗。
军长蒋泰率军从城墙外围发起进攻，将城内外倭寇一分为二。
随后，帝国军残余部队同铁卫军里应外合，关门打狗，将城内的近万的倭寇全部歼灭。
至十日，倭军第五师团伤亡过半，被迫放弃对太原城的进攻，向忻州方向后撤。
两翼倭军部队也开始逐步后撤，防卫军乘胜追击，将战线恢复到战役开始前的状态。
晋省反击战宣告结束。
此战由倭军对晋省的进攻作战开始，由防卫军，帝国军和晋军的联军在太原城内成功击败倭军主力结束。
此战帝国方面伤亡约二十万，以帝国军第四集团军为主，此战过后，淳亲王博涵不得不将第四集团军调到后方休整，补充兵员。
倭军伤亡近十万，主力师团——乃木中将的第五师团被彻底打残，几乎失去作战能力，其余各独立旅团和各师团均伤亡惨重。
此战过后，在晋省战区，倭军基本上失去了战略主动权，防卫军接替帝国军和晋军的防务，进入战略反攻阶段。