抗战期间日军在山西投入了约60万兵力。
抗战时期，山西作为华北敌后抗战的中心，是八路军总部及三大主力师所在地，八路军和广大山西人民群众同仇敌忾、威武不屈，筑起抵抗日军侵略的铜墙铁壁。在山西境内发生的平型关大捷、忻口战役及夜袭阳明堡日军飞机场，以及百团大战、黄崖洞保卫战、沁源围困战等重大战役战斗，创造了八路军抗战史上的辉煌战绩。据不完全统计，抗日军民在山西境内共歼灭日军近7万人，占侵略华北日军总数的三分之一强，充分发挥了华北抗日主战场的重要作用，在中国抗日战争史上书写了光辉的篇章。
全国抗战爆发后，在日军大举进攻华北、山西战局危急的形势下，八路军开赴山西,抗日游击战争的烽火最早开始在三晋大地上熊熊燃烧起来。
1937年9月下旬，日军向平型关、茹越口内长城防线进攻，刚刚到达平型关战场的八路军115师，立即投入战斗。9月25日，我军侦察到日军21旅团主力开始向平型关方向运动，115师遂决定在灵丘通往平型关的最险要地段，即小寨村至老爷庙的山沟公路上，利用伏击战歼灭日军。当夜，115师指战员冒着倾盆大雨，涉着山洪激流，在拂晓前到达阵地。9月25日凌晨，日军21旅团主力约4000人开始进入115师设伏地段。当骄横的日军全部进入我伏击圈后，115师将口袋紧紧扎住，居高临下，突然向日军发起猛烈的进攻。经过一天激战，我军终于将包围在10余里长的夹沟公路上的日军全部歼灭，取得了伏击战的大胜利。
平型关大捷是八路军出师抗战后打的第一个大胜仗，也是抗日战争爆发后中国军队打的第一个大胜仗。这次战斗，共歼灭日军1000余人，击毁汽车100余辆、马车200余辆；缴获步枪1000余支、机枪20余挺、炮弹3000余发、战马50多匹、日币30多万元，以及其他大量军用物资，单是缴获的日军大衣就够115师全师人员每人一件。
平型关战役的胜利，振奋了全国人民抗战的民心士气，提高了共产党和八路军的声望，打击了日军的嚣张气焰，戳穿了其“不可战胜”的神话。
对于平型关战役的胜利，当年曾亲自参与指挥这一战役的聂荣臻后来回忆说：“不少爱国人士曾经议论过这样一个问题：久驻华北的国民党军几十万大军尚不能打一个小胜仗，为什么刚到前线，可以说是仓促上阵的八路军，却能一举取得如此辉煌的胜利？其实，这个问题并不难回答。从根本上讲，这是由于我们党坚决抗日的政治路线所决定的。八路军东渡黄河以来，官兵士气高涨。战前，同志们就憋足了劲，决心严惩侵略者；战斗中，战士们勇敢顽强，不怕牺牲。686团副团长杨勇同志在战斗中负了伤，仍继续指挥部队作战。连长曾贤生同志带领战士们上好刺刀冲下公路时，高喊着‘我们要用刺刀消灭敌人，就是牺牲，也要堵住敌人！’他首先冲进敌群，在肉搏中光荣献身。担负穿插堵击任务的一个连队，打得非常顽强，战斗结束时，全连干部除一人以外，全部负伤，三个排长英勇牺牲。干部战士们英勇无比的精神，是取得胜利的决定因素。”
平型关大捷，赢得了国内外舆论的普遍赞扬。来自国内各地乃至海外的祝贺电报像雪片似的飞往南京和延安。蒋介石连续两次给朱德和彭德怀发电祝贺。他在9月26日的电文中这样写道：“朱总司令、彭副总司令勋鉴：25日一战，歼敌如麻，足证官兵用命，深堪嘉慰。尚希益励所部，继续努力，是所至盼。”
1937年10月上旬，忻口战役打响。在这次战役中，中国军队先后投入兵力约16个师，伤亡约10万人，而日军伤亡也在四五万人左右。国民革命军第九军军长郝梦龄、第54师师长刘家麒、第34军第196旅旅长姜玉贞、独立第五旅旅长郑廷珍等大批国民党官兵为国捐躯。对于这一战役，八路军政治部主任任弼时曾给予高度评价，他说：“敌曾以全力猛攻忻口，遭受了忻口抗战部队的猛烈袭击。忻口战役是华北抗战中最激烈的战役，郝、刘两将军在前线同时壮烈牺牲，卫立煌将军指挥下的全线部队，虽遭受了重大伤亡，毫未动摇；许多忠勇将士的英勇奋斗，是值得每个同胞永远纪念的。”
为配合国民党军保卫忻口、太原，129师358旅769团主力在雁门关以南之罗石头沟地区两次伏击歼敌，共毙伤敌500余人，毁敌汽车数十辆，切断了敌由大同经雁门关至忻口的后方补给线，有力地支援了忻口战场上的国民党军作战。特别是八路军第129师第769团夜袭日军阳明堡飞机场，歼敌100余人，毁敌飞机24架，有力地打击了日军的空中力量。战后，卫立煌对周恩来说：“阳明堡烧了敌人24架飞机，是战争史上从来没有过的事情。我代表在忻口正面作战的将士对于八路军表示感谢，感谢！”
对于八路军在忻口战役中的配合作用，朱德曾指出：“忻口之役，我同蒲北段游击队向敌不断骚扰和袭击，雁门关要隘曾几度被我占领，弄得板垣五师团陷于泥潭中，欲退不可，欲进不能，原来吃大米罐头的日本‘贵族兵’也不能不尝尝高粱包谷的美味，机械化部队在一个时期内几乎完全失去作用，使忻口正面战斗竟能支持二十一天之久。假如不是娘子关失陷，正太敌人猛进，板垣师团是不能那样容易解围的。”
八路军开赴山西后，在一个半月的时间里，先后取得了平型关、雁门关、阳明堡、广阳等100余次战斗的胜利，歼敌1.1万余人，收复了10余座县城和广大乡村，挫败了日军夺取山西、实施右翼迂回、威胁河北国民党军侧翼的企图，有力地支援了国民党军作战，打开了山西抗战局面。
