，以为中方无力发起侧翼进攻，戒备相对松懈。
“命令各师，连夜展开部署！明日拂晓，发起总攻！”汤恩伯站在娘子关的山头上，望着远处日军阵地的灯火，沉声道，“此战关乎忻口战局，关乎华北全局，只许胜，不许败！”
十二月三日拂晓，天色未亮，忻口西南的辛庄、大白水一带突然响起震天动地的炮火声。汤恩伯的第二十军团集中了16门105毫米榴弹炮，八十余门75毫米榴弹炮、一百二十余门82毫米迫击炮，对着日军独立混成第二旅团的阵地展开了地毯式轰炸。炮弹如同雨点般落下，日军的战壕被填平，碉堡被炸毁，铁丝网与地雷区在炮火中化为焦土。
“敌袭！是中央军的炮火！”日军士兵从睡梦中惊醒，慌乱地冲向阵地，却被密集的炮火炸得人仰马翻。独立混成第二旅团旅团长佐藤少将接到报告后，大惊失色：“怎么会有这么多中央军？他们不是在邯郸吗？”
炮火持续了一个小时后，汤恩博下令发起冲锋。七万大军如同潮水般冲向日军阵地，士兵们端着先进的德式步枪，在坦克的掩护下，奋勇向前。日军的抵抗显得苍白无力，他们的装备虽精良，但兵力悬殊，且毫无防备，很快便被中央军突破了第一道防线。
“守住阵地！给我反击！”佐藤少将挥舞着军刀嘶吼，亲自率军反扑。但中央军的火力太过猛烈，重机枪、迫击炮形成密集的火网，日军士兵成片倒下，反扑一次次被打退。佐藤少将看着阵地节节失守，士兵伤亡惨重，心中满是绝望——他根本没想到，中方会突然从侧翼发起如此大规模的进攻。
到上午十时许，日军独立混成第二旅团的防线已全面崩溃，士兵们纷纷向后逃窜，佐藤少将在突围中被中央军的流弹击中，当场毙命。
“报告汤军团长，日军右翼防线已被突破！我军正乘胜追击！”参谋官向汤恩博汇报，语气中满是兴奋。汤恩伯点点头，下令：“继续追击！直插忻口日军主力的侧后方，切断他们的退路！”
中央军杀入日军阵地的消息，很快传到了忻口中方指挥部。阎老西看着战报，激动得热泪盈眶：“汤恩博终于到了！反击的时候到了！”他当即下令：“忻口防线全体将士，发起全面进攻！与中央军夹击日军，将小鬼子赶出忻口！”
早已憋足了劲的晋绥军、鲁军、西北军将士们，接到命令后，如同猛虎下山般冲出阵地。傅作亿率领的晋绥军，虽伤亡惨重却锐气不减，士兵们端着刺刀，与日军展开白刃战；韩复榘的鲁军将士们，挥舞着大刀，高喊着“杀鬼子”的口号，奋勇冲锋；杨虎成的西北军则依托地形优势，用迫击炮精准打击日军的集结点，为步兵开辟前进道路。
中方的全面反攻，让忻口前线的日军彻底陷入混乱。第五师团、第十师团本就因补给中断而战力受损，如今右翼被突破，侧后方又遭到中央军的猛攻，首尾不能相顾，阵脚大乱。日军指挥官板垣征四郎试图组织部队抵抗，却根本无法控制溃散的局面，只能下令全线后撤。
而此时的八路军，也趁势发起了“痛打落水狗”的攻势。三个师数万人全线出动，从各地出击，袭击日军的后撤部队、破坏交通线、抢占日军的临时物资仓库。日军后撤的车队屡屡遭到八路军的伏击，汽车被炸毁，物资被缴获，士兵伤亡惨重。
“小鬼子哪里跑！留下物资再走！”八路军的战士们，握着李辰支援的德式步枪，对着逃窜的日军猛烈射击。在一处日军的临时仓库，八路军战士们缴获了大量的粮食、弹药与药品，还有不少日军的武器装备，极大地补充了自身的战力。
中方部队一路追亡逐北，晋绥军、中央军、鲁军、西北军在前线正面追击，八路军在敌后袭扰拦截，日军如同丧家之犬，狼狈逃窜。沿途的百姓们自发组织起来，拿着锄头、扁担，加入到追击的行列中，有的为中方部队带路，有的则拦截溃散的日军士兵，为这场反攻增添了不少助力。
十二月七日，中方部队追击至大同外围阵地。此时的日军已龟缩在大同城内，凭借坚固的工事固守待援，中方部队经过连日追击，也已疲惫不堪，弹药与粮食供应也需要补充。阎老西与汤恩博商议后，决定停止追击，在大同外围构筑防线，与日军形成对峙。
忻口战役至此落下帷幕。经统计，此战日军前后共损失三万余人，其中第五师团伤亡过半，第十师团伤亡达一万余人，独立混成第二旅团只剩不到一个联队的兵力，装备损失更是不计其数，大量的火炮、坦克、汽车被中方缴获。而中方部队虽也伤亡五万余人，但相较于日军的损失，已是一场辉煌的大胜。
消息传回南京，国府立刻大肆宣传忻口大捷。中央广播电台连日播报战役的胜利消息，报纸头版头条刊登“忻口大捷，重创日寇”的标题，委员长还特意发表讲话，称赞“忻口之胜，是全民族抗战的伟大胜利，是各军队同心协力的成果”，并对阎老西、汤恩博、韩复榘、杨虎成及八路军进行了嘉奖。
国际社会也对忻口大捷给予了高度关注。英吉利《泰伍报》评论道：“忻口战役的胜利，展现了华夏军队的顽强战力与中华民族的团结精神，小日子‘三个月灭亡华夏’的狂妄企图，再次遭到沉重打击。”美立坚《纽时报》也报道称：“华夏军队在忻口的胜利，改变了华北战场的局势，日军的进攻势头已被遏制。”
而东京日军大本营，却陷入了一片死寂。忻口战役的惨败，让日军损失了三万余精锐，第五、第十师团元气大伤，短期内难以恢复战力。更重要的是，这场失败让日军在国际上丢尽了脸面，原本嚣张的侵略气焰遭到沉重打击。日军参谋本部不得不调整华北战略，从原本的全面进攻转为战略防守，华北战事
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