战争初期，日本侵略者依仗其军事上的优势，对华北和华中等地展开了大规模的战略进攻。在全国人民抗日热潮的推动下，国民政府统帅部调动全国军队，同时在北线和东线战场实行防御战略，抵抗日军进攻。八路军和新四军分属第二、第三、第五战区战斗序列，分别参加了各战区的防御作战。但是，在国民党政府实行片面抗战路线的情况下，怎样才能推动中国共产党全面抗战路线的贯彻，是一个极端复杂和困难的问题。中国共产党着重从军事上、政治上创造实现全面抗战的条件：一方面，精心地部署八路军进行战略统一下独立自主的山地游击战争（包括在有利条件下集中兵力消灭敌人兵团），指导其实现从国内正规战争到抗日游击战争的转变；另一方面，积极配合国民党军队作战，以极大的努力推动国民党改变错误政策，组织和动员全国民众，巩固和扩大抗日民族统一战线，实行正确的对日作战方针。
１９３７年９月中下旬，沿津浦铁路、平汉铁路南下的日军，分别占领河北沧州、保定等地。沿平绥铁路推进的日军进入山西北部，占领天镇、广灵、大同。阎锡山指挥的晋绥军纷纷向雁门关方向撤退。进驻五台的八路军总部指示第一二○师从西面驰援雁门关；第一一五师从东面配合友军作战，对从灵丘增援平型关之敌实施攻击。９月２２日，日军第五师团（师团长坂垣征四郎）一部首先从灵丘向平型关方向进犯，２３日和２４日在平型关正面及团城口与中国守军发生激战。９月２４日，第一一五师主力冒雨由冉庄向平型关东北的白崖台前进，在小寨村至老爷庙公路附近山地设伏。９月２５日晨，日军第五师团第二十一旅团一部进入八路军的伏击区。八路军利用居高临下的有利地形，突然发起猛烈攻击。八路军充分发挥近战和山地战的特长，对陷入混乱的日军实行分割、包围，与敌进行白刃格斗，歼敌１０００余人，击毁汽车１００余辆，缴获一批辎重和武器。９月２４日至２５日，担任钳制、阻击任务的第一一五师独立团，截断涞源、灵丘之间的交通线，在腰站地区打退日军增援部队的多次冲击，歼敌３００余人。平型关战斗，是华北战场上中国军队主动寻歼敌人的第一个大胜仗，有力地配合了正面战场的防御作战。它打破了日军不可战胜的神话，振奋了全国人心，提高了共产党和八路军的威望。
在平型关战斗中，由于正面布防的友军没有按预定计划出击，失去了消灭更多敌人的机会。平型关正面的日军得到从浑源南下日军的增援，稳住了阵脚。同时，内长城线上的日军突破茹越口和阳方口，从东西两侧向雁门关迂回。１０月２日，雁门关失守。阎锡山为挽救山西战局危机，保卫太原，决定利用忻口要隘进行正面防御，阻敌南下。蒋介石急调第十四集团军总司令卫立煌率部驰援。１０月６日，毛泽东致电在太原的周恩来等，要他们转告国民党军事当局：敌人占领石家庄后，必将向西进攻，故娘子关、龙泉关两点须集结重兵，实行坚守，以利太原以北作战的胜利。阎锡山等根据日军分三路南犯的态势，把作战部署划分为左、中、右三个地区，并将主力用于中路的正面防御。经商定：中路归卫立煌指挥，右翼各军（包括一部分国民党军队）归朱德、彭德怀指挥，左翼归杨爱源指挥，负责守卫石岭关和太原的预备军归傅作义指挥。周恩来参加了忻口战役的作战研究。他考察了这个地区的实际情况后提出，着重正面防堵损失必大，而胜算小，建议中路地区以少数兵力钳制敌军，加强侧面部署，以主力向东北代县方面出击，可收阻敌向南突入之效。但这些意见未被阎锡山等全部采纳。１０月１３日，日军在飞机、大炮和战车掩护下，强渡云中河，向忻口西北主阵地南怀化发起猛烈攻击。中国守军阵地工事被毁，部队伤亡惨重。阵地失而复得，得而复失，战斗异常激烈。在连日鏖战中，中国军队给日军以很大杀伤，但自身也损失很大，第九军军长郝梦龄、第五十四师师长刘家骐、独立第五旅旅长郑廷珍等在前线督战时相继牺牲。
为了配合和支援友军的正面防守作战，八路军第一一五师主力于晋东北袭击张家口至广灵、代县的交通线，并派独立团和骑兵营向察南、冀西出击。第一二○师主力于晋西北袭击忻口至雁门关、宁武至大同的交通线，并派雁北支队向长城以北出击。当忻口正面激战时，第一一五师和第一二○师各部积极配合，在敌人侧翼和后方频频出击，多次截断敌后方主要交通线，击毁日军大批运输汽车，袭击敌增援部队，收复一些县城，使日军侧背受到严重威胁，并不能及时得到粮食、弹药的接济。１０月１７日，蒋介石致电朱德、彭德怀：“贵部林师及张旅，屡建奇功，强寇迭遭重创，深堪嘉慰。”（电文中的“林师”，指林彪为师长的八路军第一一五师；“张旅”，指张宗逊为旅长的八路军第一二○师第三五八旅。）八路军第一二九师第三八五旅第七六九团进至崞县、代县之间，袭扰敌军。该团以第三营为主力于１０月１９日凌晨袭击代县阳明堡日军飞机场，毁伤敌机２０余架，消灭敌守备队１００余人。八路军各部的积极作战，削弱了日军的有生力量，迫使敌人不得不以相当兵力守备后方，这就大大减轻了忻口正面国民党守军的压力。
忻口战役进行中，沿平汉铁路南下的日军于１０月１０日占领石家庄后，迅即沿正太路西进，从东面威胁太原。第二战区副司令长官黄绍竑率三个军在娘子关南北一线设防。１０月１８日，八路军第一二九师师部率第三八六旅进到正太路南侧平定地区，执行配合友军侧击敌人的任务。国民党军队不能有效阻止敌人的进攻，１０月２６日，被迫放弃娘子关，全线后撤。日军迅速占领平定、阳泉、昔阳一线。根据战局的演变，１０月下旬，八路军总部率第一一五师师部及第三四三旅由五台南移，经盂县、寿阳过正太路进抵和顺县。１０月２２日至１１月初，八路军第一二九师先后在平定县和昔阳县进行七亘村、广阳、黄崖底等战斗，取得胜利。由五台山地区南移的八路军第一一五师主力，在昔阳西部、广阳地区伏击向榆次运动的日军。这些战斗，共歼敌２０００余人，缴获一批武器、马匹和物资，有力地阻击了日军的前进，并协助国民党军曾万钟部、邓锡侯部和王奇峰骑兵第四师等突破日军的包围，脱离险境。但是，由于从娘子关退守的友军缺乏统一指挥，不能组织新的有效防御，日军遂节节推进，对太原和忻口形成大包围。１１月２日，卫立煌下令撤离忻口阵地。１１月８日，太原失守。忻口战役历时一个多月，歼敌２万余人。它是抗战初期华北战场上最大、最激烈的一次战役，也是国共两党军队合作抗日、配合较好的一次战役。
华北战场的战略防御作战，较好地实现了国共两党在军事上的合作。共产党不仅提出关于作战方针的正确建议和意见，而且还以八路军积极有力的实际作战行动，配合和支持了友军的正面阵地防御。尽管国民党统治集团听取了共产党及其他有识之士的一些正确意见，但并没有改变其基本的路线和方针。它在政治上实行单纯依靠政府和军队的片面抗战路线；在军事上则采取单纯防御的战略方针，对正面进攻之敌进行消极的阵地防御，很少使用较大兵力实行运动战，因而不能主动地在运动中歼灭敌人。尽管担任正面防御部队的许多官兵怀着爱国热忱，对日军的进攻进行了英勇的抵抗，但由于受片面抗战路线和单纯防御战略方针的束缚，难以充分发挥战斗力。国民党军队不断陷入被动，节节败退。在太原失陷以前，平绥铁路方面的日军占领了归绥（今呼和浩特）、包头；平汉铁路方面的日军已占领顺德（今邢台）、邯郸，进抵漳河一线；津浦铁路方面的日军突破德州的防御阵地，进抵惠民、临邑、高唐一线，准备进攻济南和青岛。日军控制了太原——石家庄——德州一线的华北广大地区后，将作战重心逐渐转移至华中战场。
太原失守前后，日军继续向华中、华北等内地进攻。为了坚持华北持久抗战，支持全国战局，１９３７年１１月１３日，毛泽东致电朱德、彭德怀、周恩来、刘少奇等，要求八路军进一步发挥独立自主精神，坚持华北游击战争，力争山西省的大多数乡村，使之成为游击根据地，发动民众，扩大自己，多打小胜仗，振奋士气，“用以影响全国，促成改造国民党，改造政府，改造军队，克服危机，实行全面抗战之新局面”。按照既定部署，八路军在积极配合友军作战的同时，又相机执行自己的战略展开任务。第一一五师一部依托五台山建立了晋东北的战略支点；第一二○师依托管涔山建立了晋西北的战略支点；第一二九师依托太行山建立了晋东南的战略支点。到１９３８年春，第一一五师另一部依托吕梁山建立了晋西南的战略支点。这就为开展华北敌后游击战争，建立和扩大抗日根据地，创造了前进的战略基地。
