进攻山西的日军，由晋北大同沿同蒲铁路南下。阎锡山把主要兵力集中在忻口战场。
黄绍竑见阎锡山在亲自部署忻口战役，自己插不上手，就提出前往娘子关方面了解情况。阎锡山对负责石家庄方向铁路正面战场的国民党第一战区副司令长官兼第二集团军司令刘峙所部中央军主力部队寄予厚望。同时，他知道，在娘子关以北至龙泉关一线，已调陕军冯钦哉第27路军两个师和赵寿山一个师，其中赵寿山部是杨虎城直属师，很有战斗力。又调中央第3军曾万钟守娘子关以南九龙关、马岭关一线。虽然兵力不少，但各部互不统属，阎锡山对娘子关方面的防守并不担心，当即赞同黄绍竑前往视察。
黄绍竑刚离开，忻口战役就激烈爆发了，阎锡山指挥部队拼死抵抗，双方伤亡巨大，双方处于僵持状态。不料10月中旬，陕西东面的石家庄战场被日军迅速攻陷，刘峙所部主力部队，未经激烈战斗便沿着铁路线避退过娘子关，到邯郸以南的安阳去了。刘峙所部中央军，在十余天内溃退千里，成为在中日两军中声名狼藉的“逃跑将军”。
日军没有往南追击刘峙，而是转向晋东娘子关进攻，企图突破关口，沿着正太铁路山西段，从东路包抄太原后路。
当时，黄绍竑对刘峙部队的大逃跑毫不知晓，他带着从南京带来的高级参谋陶钧、裘时杰、徐佛观等到了娘子关外井陉车站，由车站电话叫石家庄，叫不通；叫获鹿站，也不通，就登上车站南方的高地展望。只见车站附近到处都是正待上车转进忻口方面的孙连仲部队官兵和由石家庄、获鹿拥来避难的群众，局面混乱不堪。
这时，一群老乡把一个人扭送到他面前来，说这人形迹可疑，说话不是本地口音，装束也不像本地人，而是初学说的东北话，像是敌人便衣侦探。
黄绍竑叫徐佛观用日语审讯，果然是一个日本人化装的侦探，便将其就地枪决。
当晚，黄绍竑把他看到的娘子关情况电话告诉阎锡山。认为娘子关方面情况相当危险，第一是正面布置得太宽，北起龙泉关，南至马岭关，从地图上看直线距离就有一百五十余公里，只有五个师，其中陕西军三个师，第三军两个师，都是一线配备，没有重点，也没有机动部队，毫无纵深防御配置。敌人如突破一点，全线都要动摇。并且，更重要的是，整个漫长战线尚未指定统一指挥的人。
黄绍竑估计，石家庄方面的中央军南撤后，敌人必以少数兵力压迫南撤的我军，以主力向娘子关进攻，策应忻口的会战。我军在平汉线上屡次溃退，即使是少数敌人也很难对它进行反攻，难以牵制敌人主力向娘子关进攻，于是向阎锡山建议，把正在奉命向忻口方向调动的孙连仲部调回娘子关方面，作为预备队伍。阎锡山同意他的这意见，调孙部回娘子关作为机动部队。
黄绍竑还建议，由孙连仲负责东线战场的统一指挥。阎认为，冯钦哉、曾万钟两个都是老军务、老资格，孙连仲虽然资格也很老，但对冯、曾两人平时没有很多交道，指挥一定有困难，就请黄绍竑担任娘子关方面的总指挥。黄绍竑虽知有诸多困难，仍答应了下来。
黄绍竑当晚回到娘子关，找赵寿山师长了解情况。赵说正面尚未有敌情，他这个师加上补充团共有五个团，单守娘子关正面问题不大，可虑的是左右两翼。他目前与左翼冯钦哉指挥的27路军尚未取得联络，连右翼友军哪个部队都还不知道。
黄绍竑赶紧告诉他，右翼是中央第三军曾万钟部，已经把孙连仲部调了回来作总预备队。赵寿山大为放心。随即向黄绍竑报告自己方面的布防情形：以主力扼守关口外的制高点雪花山，其余则布置在铁路两侧高地。雪花山守得住，也就是娘子关守住了。万一雪花山守不住，关正面仍可扼守。
黄绍竑闻此，也稍微放心了。但是，他接着要无线电台向冯钦哉联络，但一直到娘子关失败，都未联络上。
10月21日上午，娘子关正面发现敌情。日军川岸兵团（由第20师团和一些特种部队组成）由井陉方面进攻娘子关，赵寿山师首当其冲。
赵部官兵作战勇敢，日军试探性冲锋几次，难以撼动，就以一部分兵力继续攻击娘子关正面，偷偷以主力转向娘子关右侧循微水、南漳城，进攻旧关。
旧关，也叫故关，是赵寿山师与第三军防线的接合点，在战线上是薄弱环节。两军都没有料到日军会这么快进攻旧关，并且动用精锐部队，挨了一个措手不及，日军先头部队一举即占领旧关。曾万钟赶紧增加兵力反攻，以图恢复，迟迟未能克复。
旧关距黄绍竑的指挥部只有三四十里，黄闻讯后赶紧致手令给曾万钟，要他鼓励官兵不惜牺牲、奋勇杀敌、坚决恢复旧关。曾万钟亲到前方指挥，屡次反攻，日军兵力虽不大，却扼险死守，终未能把它夺回来，成了暂时相持局面。
不久，日军得到后续部队增援，再行攻击，第三军防线被冲破缺口。敌人以一部向南压迫第三军，以主力向北，企图占领下盘石车站，截断娘子关后路。
第二天早晨，日军迫近黄绍竑指挥所所在地的后山。当时，黄绍竑手里除了两百多名卫士之外，没有掌握什么部队。正在焦急之际，获悉孙连仲部第31师侯镜如旅正在附近车站候车运太原，他们尚未接到孙部东调命令。
黄绍竑赶紧找到侯镜如，要他增加上去阻止日军。侯虽没奉到直属长官命令，对越级指挥的命令却接受了，率部顶住了日军。
黄绍竑大大松了一口气，转而命令娘子关正面的赵寿山师向井陉出击，阻止敌人后续部队向旧关前进，扩大缺口。赵师奉命出击，部队损失很大，并反而把关外要点雪花山丢了，只得决心死守娘子关和正面铁路线上的要隘。日军随即将攻势转移到旧关方面，扩大缺口，侯旅伤亡很大，不久被冲破。黄绍竑指挥部又陷入危险处境。
这时，陕军原杨虎城教导团李振西团长率约两千余人青年学生兵赶来增援。这个团是杨虎城当时计划用作扩充军队下级军官用的。西安事变前，有些共产党员曾在这个团当教官，所以该团士气昂扬，很有战斗力。接到黄绍竑命令后，李振西率部迎敌，再次把日军顶住。
当天白天，孙连仲所部主力部队27师和其他部队乘车回运东线，沿途遭到敌机轰炸，伤亡不少，午后才到下盘石车站，当即增援李振西团。这时，李振西团已经由上午8、9点战斗至下午4点，伤亡很大，收容下来仅剩五六百人，李振西本人也负了伤。
黄绍竑见孙连仲部再度把战线稳定下来，就重新调整战线。娘子关正面，日军已转到旧关方面，顾虑不大，赵寿山师缩小防线，沿铁路扼守。旧关方面的防务，是日军进攻重点，由孙连仲部担任，他希望孙部能夺回旧关。原布置于旧关之右九龙关、昔阳方面的曾万钟第三军，自旧关战后也像冯钦哉部那样失去了联络。
孙连仲先利用优势兵力，很快就将日军压迫回旧关附近。但被追赶到山沟里或村庄里的日军不肯投降。黄绍竑出重赏，活捉一个俘虏赏大洋二百元，也只得到两个俘虏。
孙连仲告诉他，俘虏日本兵本不容易，即使俘虏到了，稍不注意，他们就会自杀，这是武士道教育的结果。
正说着，一个被打散了的日本兵被追赶到指挥所附近来，警卫赶紧前往包围。这个鬼子拒不投降，一面乱跑一面放枪，打伤了几个围堵的警卫，黄绍竑只好下令将他击毙。
日军退到旧关后，黄绍竑悬赏五万元要孙连仲派一营人夺取一日军要点，孙指定第27师某营承担任务，当他宣布悬赏时，营长慷慨地说：“赏什么哦！军人以卫国为天职，即令牺牲了，只希望抗战胜利后能在哪儿立一块碑来纪念我们这群为国牺牲的人就满足了。”
该营长和大部分官兵都牺牲了，剩下的不到百人，仍未能夺回来旧关据点。
黄绍竑见娘子关方面陷入相持状况，估计仍难持久，就回太原同阎锡山商量下一步办法，打算从忻口方面抽调一些部队增加娘子关方面。在离开前线的时候，黄把指挥所撤至阳泉。
黄绍竑重返太原找阎锡山时，忻口会战已在激烈进行，守军伤亡惨重，阎锡山已向蒋介石要援军，蒋接到请求驰援电话后，答应把22集团军调往山西，增援忻口战场。
阎锡山万万没有料到日军会从娘子关方面夹攻太原，并且迅速突破了旧关，当黄绍竑赶到太原向他报告自己刚刚经历的东线危急情形时，阎锡山简直不敢相信自己的耳朵。
黄绍竑刚刚提出从忻口调援军，阎锡山立马反对说：“我这里还需要援军呢，哪能抽走人马！这样吧，你和我都分别向蒋委员长请示增援。”
蒋介石得到请愿急电，十分焦急，突然接到蒋鼎文来电，说川军先头部队已抵达宝鸡，派人到西安联系换发装备，怎么解决？
蒋介石说：“前线十万火急，还换什么装备，来不及了。他们有多少部队？
“41军已经到齐，45军先头部队也有一个师全部抵达宝鸡，都在待命。”
“好！太好了！你叫他们迅速开赴潼关，驰援山西，归第二战区阎锡山指挥。”
“那装备问题呢？我怎么跟他们讲啊？”
“这个嘛？嗯……好办。这样，你就告诉他们，由第二战区阎长官负责解决好啦，我发个电令给你。”
蒋介石随即叫白崇禧起草两份电报：一是给西安行营的，令川军迅速驰援山西，受第二战区节制，但其中并没有提及装备的事情；一是给八路军总司令朱德，催促正在编成中的八路军120师、129师驰援娘子关。