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g34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