忻口前線的戰鬥已經進入了第13天，第五師團的銳氣已經徹底打光，師團長板垣徵四郎也對戰事的勝利不再抱希望，但是由於他在戰前許下的軍令，所以也不敢接受退兵的後果，只能是一天天的耗著。

且由於後方受到教導旅和八路軍的襲擾，運輸線基本被掐斷，後方補給越來越難以送達前線，現在已經沒有多少炮彈可以使用，所以進攻越來越疲軟。

現在華北派遣軍司令部已經通知他，第二師團要來增援他，此時已經抵達了大同，讓板垣徵四郎又升起了一點希望。雖然到時候獲勝後要分功給第二師團，對於一向驕傲的他來說心裡並不舒服，但是也總比戰敗要好的多。

而中國軍隊到了此時都已經習慣了日軍的進攻節奏，前線將士在戰爭中熟悉對手，度過了開始的慌亂期，前線的幾十萬人的心態徹底穩了下來。且越往後日軍的進攻強度越低，火炮轟炸的強度也在降低，最近對面的日軍每天都打不了幾炮。

而閻錫山這時則是將太原兵工廠生產的8門150毫米口徑重型榴彈炮都拉到了忻口前線，這8門150毫米榴彈炮是太原兵工廠截止到目前為止生產的全部150毫米口徑火炮，炮管鋼都是進口的德國特種鋼，山西自己生產出的特種鋼雖然質量比之前得到了極大的提升，但是和德國產的質量還是有差距，不能用來生產大口徑的火炮。

德國對出口這種生產重炮用的特種鋼的數量有限制，晉綏軍想盡辦法只進口了一百多噸，在南京的炮十團進口了德國的shf18式150毫米榴彈炮後，太原兵工廠就仿照shf18式榴彈炮生產了自己的150毫米炮，炮彈也是太原兵工廠自行生產，這8門炮日常都是在太原，是閻錫山口袋裡的寶貝。

與這8炮一起來的還有閻錫山的另一個心肝寶貝，即他平時直管的戰車營。

透過李志堅從後方不斷髮回來的敵情通報，二戰區司令部和忻口前線的指揮員們都已經確定，此時在忻口前線的日軍第五師團及配屬部隊已經到了力窮之時，強弩之末勢不可穿縞素，並且日軍第二師團的援軍已經到了大同，對於李志堅提出的趁第二師團還沒有抵達忻口前線的時機，對忻口日軍進行反攻的意見，經過詳細的研判，最終決定採納，立即對忻口前線之敵進行反攻。

於是閻錫山和衛立煌命令，在10月30日早晨，從忻口陣地中線率先開展大反攻，南面主力作為預備隊的35軍和戰車營，北線主力是教導旅和從呂梁迂迴過去的騎兵一師，待這些部隊取得突破後，其餘部隊全部組織力量參與反攻。

在收到命令後，李志堅將在日軍後方繳獲的一百多輛卡車全部加裝鋼板，改裝成為裝甲車，在上面佈置了mG34機槍。

在10月30日上午八點時，晉綏軍集中了8門150榴彈炮，以及獨立第一炮兵旅和所有軍屬炮兵團的火炮，對前線日軍進行轟炸，轟炸半個小時後，南線的戰車營和35軍，北線的教導旅、騎兵一師開始同時向第五師團全面進攻。

第五師團經過多日戰鬥早已經成了疲師，彈藥也不再充足，面對戰車營和教導旅的裝甲車隊，他們完全沒有想到晉綏軍也有裝甲兵器，根本沒有提前準備反制坦克和裝甲車的武器。如果是中國軍隊可以利用人肉加集束手榴彈來抵抗，而日軍使用的主要是香瓜手雷，所以根本沒有合適的應對武器。

雖然第五師團的日軍是精銳，但是巧婦難為無米之炊，面對快速突進的裝甲部隊只能是向四下逃散，當面日軍瞬間被衝潰，在後面的中國部隊立即順著缺口衝進去，有些日軍想要和中國軍隊展開了肉搏，然而此時的火力和兵力都佔據優勢的中國軍隊，根本不屑於和困獸一般的日軍肉搏，都直接使用子彈解決。

日軍的潰散規模越來越大，板垣徵四郎的指揮所也被教導旅所沖掉，指揮部裡的人全部被亂槍打死，但是教導旅的人沒有找到板垣徵四郎本人，經過確認指揮部裡的屍體只有參謀長和幾個作戰參謀，不過整個前線日軍都開始慌亂，各部開始各自為戰。

在這種情況下，忻口前線的其餘各部也都組織力量開始了反擊，日軍的潰散速度加快，直至徹底潰散，剩餘的日軍再顧不上理會別的，紛紛逃進山裡向晉北撤退。

板垣徵四郎本人非常幸運，在中國軍隊反擊的時候在右翼督戰，所以在日軍主力潰散後，他隨同右翼日軍一起朝大同方向撤退。

忻口前線的日軍潰敗，很快被日軍飛機所偵查到並反饋給了華北派遣軍司令部，華北派遣軍趕緊讓在大同日軍南下接應。

之前第五師團