輕裝後撤，所以就沿著山區撤退，斷後的日軍還趁著當天夜裡光線不好，伏擊了幾次追擊的部隊，使得追擊更加無力。

在日軍開始撤退的第二天白天天氣放晴後，日軍飛機就一直在天上進行掩護。雖然還免不了被阻攔的騎一軍部隊收割一部分，但是撤退日軍是按照建制後撤，未再發生混亂。

在前線的中國軍隊也都連續作戰多日，傷亡不小，且都已經疲憊，所以閻錫山和衛立煌也就下令停止步兵追擊撤退日軍，由騎一軍跟隨撤退日軍。其餘部隊沿著日軍退兵的路線，就地收復日軍佔領的地區，直至日軍退回大同。

本次作戰，在忻口的日軍總計傷亡近五萬，戰死三萬多，在撤退的時候，一個野戰救護站的上千傷員和醫生護士都沒有來得及帶走，直接被中國軍人給了結。

不過這還是沒有包括娘子關一線殲敵數量，估計此處日軍也有上萬人的傷亡，前線部隊向外宣稱殲滅日軍十萬，取得了又一次輝煌的大捷。