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。