日军二十六师团等部队从北平出来，一路向西时，中国方面已经基本断定了日军的意图，不久后，第五师团也开始在大同动员，在先头部队出了大同城时，中国军队方面就已经完全确定了日军的目的。
于是在山西的中国部队也纷纷进行动员向指定阵地布防。
本次忻口方面作战的总指挥还是卫立煌，参战部队有杨爱源第六集团军，下辖孙楚第33军； 傅作义第七集团军，下辖傅作义第35军，陈长捷第61军，王靖国第19军，赵承绶的骑兵一军；卫立煌十四集团军，下辖裴昌会第9军，刘茂恩第15军，高桂滋第17军。在战前，14军被调离山西，由李默庵带领到达河南黄河南岸。
由于这次日军势大，从晋绥军高层到武汉国民政府，都将心提了起来。从初步可以断定的日军进攻山西腹地的力量即已经有四个师团，两个旅团和一个野战重炮旅团。
而面对如此多的日军的进攻，现在忻口一线的中国军队力量还不及第一次会战时，所以军政部紧急将陕军杨虎城部进行改编，其中两个师分别扩编为38军和96军，组建第四集团军，由陕西省主席孙蔚如担任集团军司令率军前往忻口支援。
娘子关方向还主要是第一次太原会战时的队伍，由于阎锡山的大力争取，原有的26路军、27路军部分部队、第22集团军的41军等部队都被留在了山西，各部基本上还是在原有的阵地上。
总指挥由驻军中实力最强的26路军司令孙连仲担任，26路军下辖了第3军、第30军和第42军三个军。并且孙连仲也亲自参与了上一次娘子关战役，对娘子关的地形已经比较熟悉。
不过这次晋绥军向娘子关方向增加了力量，有杨澄源第34军（缺70师）、教导旅，以及炮垒3大队。
按照战前的作战推演，第二次以太原为中心的保卫战有三个关键点：
一是必须守住忻口中央阵地；
二是必须在敌后将日军的锐气消耗掉；
三是守好娘子关一线。
针对第一个关键点，阎锡山早早就将炮垒二大队配备到位，炮垒二大队可以说是现在中国现在最强的炮兵部队，有150毫米口径重炮15门，75毫米山炮36门，还有比较多的防空武器，并且为他们修建的钢筋混凝土要塞也已经建成。