進攻不力，華北派遣軍將第二師團調到了大同，準備增強在忻口的力量，現在第五師團奔潰，第二師團立馬出動接應，此時在晉北也沒有太多中國部隊，只有一部分守著交通線的八路軍，且人員比較分散，無法抵擋大股的日軍後撤，所以使得板垣徵四郎的逃躥未能被完全截住，最終剩餘的第五師團及進攻忻口的其他部隊在撤到平型關周圍時，與第二師團會面。

追擊的中國軍隊看到有接應的大股日軍後，也就停止追擊。此時第五師團所存不足三千，其他旅團也損失大半，火炮等重武器全部被中國部隊摧毀或者繳獲。

在忻口一線日軍潰敗後，娘子關一線的二十師團也就不再繼續進攻，就此忻口會戰結束。

此戰中國軍隊共消滅日軍三萬餘人，這還是光統計忻口前線的戰果，至於娘子關一線日軍二十師團的戰果無法得到具體統計，中國軍隊取得了對日作戰的第一次輝煌大勝。