忻口前线的战斗已经进入了第13天，第五师团的锐气已经彻底打光，师团长板垣征四郎也对战事的胜利不再抱希望，但是由于他在战前许下的军令，所以也不敢接受退兵的后果，只能是一天天的耗着。
且由于后方受到教导旅和八路军的袭扰，运输线基本被掐断，后方补给越来越难以送达前线，现在已经没有多少炮弹可以使用，所以进攻越来越疲软。
现在华北派遣军司令部已经通知他，第二师团要来增援他，此时已经抵达了大同，让板垣征四郎又升起了一点希望。虽然到时候获胜后要分功给第二师团，对于一向骄傲的他来说心里并不舒服，但是也总比战败要好的多。
而中国军队到了此时都已经习惯了日军的进攻节奏，前线将士在战争中熟悉对手，度过了开始的慌乱期，前线的几十万人的心态彻底稳了下来。且越往后日军的进攻强度越低，火炮轰炸的强度也在降低，最近对面的日军每天都打不了几炮。
而阎锡山这时则是将太原兵工厂生产的8门150毫米口径重型榴弹炮都拉到了忻口前线，这8门150毫米榴弹炮是太原兵工厂截止到目前为止生产的全部150毫米口径火炮，炮管钢都是进口的德国特种钢，山西自己生产出的特种钢虽然质量比之前得到了极大的提升，但是和德国产的质量还是有差距，不能用来生产大口径的火炮。
德国对出口这种生产重炮用的特种钢的数量有限制，晋绥军想尽办法只进口了一百多吨，在南京的炮十团进口了德国的shf18式150毫米榴弹炮后，太原兵工厂就仿照shf18式榴弹炮生产了自己的150毫米炮，炮弹也是太原兵工厂自行生产，这8门炮日常都是在太原，是阎锡山口袋里的宝贝。
与这8炮一起来的还有阎锡山的另一个心肝宝贝，即他平时直管的战车营。
通过李志坚从后方不断发回来的敌情通报，二战区司令部和忻口前线的指挥员们都已经确定，此时在忻口前线的日军第五师团及配属部队已经到了力穷之时，强弩之末势不可穿缟素，并且日军第二师团的援军已经到了大同，对于李志坚提出的趁第二师团还没有抵达忻口前线的时机，对忻口日军进行反攻的意见，经过详细的研判，最终决定采纳，立即对忻口前线之敌进行反攻。
于是阎锡山和卫立煌命令，在10月30日早晨，从忻口阵地中线率先开展大反攻，南面主力作为预备队的35军和战车营，北线主力是教导旅和从吕梁迂回过去的骑兵一师，待这些部队取得突破后，其余部队全部组织力量参与反攻。
在收到命令后，李志坚将在日军后方缴获的一百多辆卡车全部加装钢板，改装成为装甲车，在上面布置了mG34机枪。
在10月30日上午八点时，晋绥军集中了8门150榴弹炮，以及独立第一炮兵旅和所有军属炮兵团的火炮，对前线日军进行轰炸，轰炸半个小时后，南线的战车营和35军，北线的教导旅、骑兵一师开始同时向第五师团全面进攻。
第五师团经过多日战斗早已经成了疲师，弹药也不再充足，面对战车营和教导旅的装甲车队，他们完全没有想到晋绥军也有装甲兵器，根本没有提前准备反制坦克和装甲车的武器。如果是中国军队可以利用人肉加集束手榴弹来抵抗，而日军使用的主要是香瓜手雷，所以根本没有合适的应对武器。
虽然第五师团的日军是精锐，但是巧妇难为无米之炊，面对快速突进的装甲部队只能是向四下逃散，当面日军瞬间被冲溃，在后面的中国部队立即顺着缺口冲进去，有些日军想要和中国军队展开了肉搏，然而此时的火力和兵力都占据优势的中国军队，根本不屑于和困兽一般的日军肉搏，都直接使用子弹解决。
日军的溃散规模越来越大，板垣征四郎的指挥所也被教导旅所冲掉，指挥部里的人全部被乱枪打死，但是教导旅的人没有找到板垣征四郎本人，经过确认指挥部里的尸体只有参谋长和几个作战参谋，不过整个前线日军都开始慌乱，各部开始各自为战。
在这种情况下，忻口前线的其余各部也都组织力量开始了反击，日军的溃散速度加快，直至彻底溃散，剩余的日军再顾不上理会别的，纷纷逃进山里向晋北撤退。
板垣征四郎本人非常幸运，在中国军队反击的时候在右翼督战，所以在日军主力溃散后，他随同右翼日军一起朝大同方向撤退。
忻口前线的日军溃败，很快被日军飞机所侦查到并反馈给了华北派遣军司令部，华北派遣军赶紧让在大同日军南下接应。
之前第五师团进攻不力，华北派遣军将第二师团调到了大同，准备增强在忻口的力量，现在第五师团奔溃，第二师团立马出动接应，此时在晋北也没有太多中国部队，只有一部分守着交通线的八路军，且人员比较分散，无法抵挡大股的日军后撤，所以使得板垣征四郎的逃蹿未能被完全截住，最终剩余的第五师团及进攻忻口的其他部队在撤到平型关周围时，与第二师团会面。
追击的中国军队看到有接应的大股日军后，也就停止追击。此时第五师团所存不足三千，其他旅团也损失大半，火炮等重武器全部被中国部队摧毁或者缴获。
在忻口一线日军溃败后，娘子关一线的二十师团也就不再继续进攻，就此忻口会战结束。
此战中国军队共消灭日军三万余人，这还是光统计忻口前线的战果，至于娘子关一线日军二十师团的战果无法得到具体统计，中国军队取得了对日作战的第一次辉煌大胜。