关前线的实际情况来看，认为杨爱源、孙楚缺乏统御前线各部的能力，致使前线各部互相配合不足，加上高桂滋率部擅自撤退，这让阎锡山思来想去，最终决定令傅作义进驻大营镇，担任平型关前线的总指挥，同时阎锡山抽调第六十一军紧急驰援平型关。
第六十一军原军长李服膺已经被阎锡山拿下关押，此时的军长乃是名将陈长捷。陈长捷接到命令后，迅速率军出发，火速驰援平型关，抵达战场后，未做任何休整，就投入了战斗。根据战场敌情，陈长捷命令梁春溥旅下属的程继贤团向涧头一带的日军发起反攻。程继贤团在团长程继贤身先士卒的带领下，所有官兵均士气高昂，攻势十分猛烈。经过一番血战，程继贤团一鼓作气冲上迷回村北山高地，随后就地布防。丢失阵地的日军恼羞成怒，一连发动两次反扑，意图再次拿下北山，但遭到了程继贤团顽强抵抗，铩羽而归。在程继贤团与日军血战的同时，陈长捷又派出吕瑞英旅所属刘崇义团夺回了西跑池高地，救出被困守的郭宗汾军一部后，旋即又向东跑池高地反攻。战至深夜，晋绥军与日军形成对峙局面。
9 月 26 日，面对陈长捷部凶猛地攻势，日军不得已从平型关正面和鹞子涧村抽调兵力增援，以求遏制陈长捷的反攻。
此前已经攻下迷回村北山的程继贤积极迎战，连续挫败日军反扑后，不等旅部主力抵达，便乘胜追击，以凌厉的攻势一举夺回了鹞子涧村。
但是日军不甘失败，随即调集兵力向程继贤团反扑，并集中大量火炮支援。程继贤团死战不退，无奈敌我双方火力差距太大，最终被日军冲上阵地。尽管如此，守卫阵地的晋绥军将士依旧没有后退，而是和日军展开了一场惨烈的白刃战。随着日军援军不断增加，晋绥军逐渐落入下风，程继贤团长宁死不退，亲自上阵厮杀，所部官兵在团长带领下，无不拼死抵抗。但是由于双方实力差距太大，程继贤团最终全军覆没，团长程继贤牺牲，所部官兵上千人全部战死，悲壮至极。
位于平型关东北侧的东跑池高地，自平型关战役打响以来，一直都是由第三十三军所部之独立第八旅在此布防。自平型关战役开始，日军多次进攻东跑池，双方在此反复争夺，血战连场，山坡上尸积如山。战至 9 月 27 日，旅长孟宪吉亲临前线督战，将原本驻守此地已经伤亡惨重的部队换下，调遣第六百二十二团接防。
就在平型关方向晋绥军和日军血战的时候，东条英机接到板垣征四郎的求援，随即派兵由大同南下，向雁门关及平型关侧后方发起进攻。日军南下后，直扑茹越口而来，遭到了第二百零三旅的顽强抵抗。经过血战，梁旅长和第二百零三旅所部官兵大部分牺牲，茹越口被日军攻占。为了保证平型关侧后方的安全，晋绥军第十九军军长王靖国命令方克猷旅反攻茹越口。然而敌强我弱，方克猷旅反攻失败，反让日军抓住机会乘势进攻，被一举冲垮。9 月 29 日，日军攻占繁峙县城，平型关侧后方彻底失守，前线的晋绥军有被日军包围的危险。
繁峙失守后，平型关战役局势急转直下，晋绥军彻底陷入不利局面。为了避免部队全军覆没，保存实力以利再战，傅作义在 9 月 30 日夜下达了撤军命令。接到命令的晋绥军各部随即向五台山一带撤退。
10 月 2 日，日军板垣征四郎第五师团攻占平型关，向西推进至大营镇境内。至此，平型关战役结束。
