茹越口，位于山西应县城南二十公里，是茹越山下恒山与雁门山衔接处的一个山口，占地面积约为十平方公里。茹越口是内长城雁门十八隘口之一，山峪短浅、平缓，峪口山势陡峭，极具军事价值。
茹越口往南就是繁峙县，从地理位置上来看，茹越口是雁门关和平型关之间的重要隘口，拿下茹越口，就可以直接进攻平型关后方的繁峙县，也可以向西威胁雁门关，不可谓不重要。茹越口左边是铁角岭，右边是五斗山，口子内是一条宽阔的大沟，是扼守应县到繁峙的咽喉要道。
负责防守茹越口的部队是晋绥军第六集团军下第三十四军第二百零三旅，旅长是梁鉴堂少将。第二百零三旅下辖三个团，分别是第四百零五团、第四百零六团以及第四百二十七团。根据茹越口的地形，梁旅长进行了如下部署：第四百二十七团防守茹越口，以一营、三营防守茹越口东面的山头阵地，二营防守茹越口西面的山头阵地；第四百零六团负责警戒第四百二十七团以西地区；第四百零五团担任全旅预备队，策应各方。
正当平型关方向中日两军血战的时候，接到板垣征四郎求助的东条英机命令独立第 15 混成旅团南下增援。
筱原诚一郎接到命令后立即率军从应县出发南下，他仔细研究完晋绥军的正面部署后，眼光毒辣地选择了茹越口作为进攻目标。于是日军浩浩荡荡，在 9 月 26 日抵达茹越口以北地区，大战即将爆发。
负责进攻的是独立第 15 混成旅团下的步兵第 16 联队，指挥官是后藤十郎大佐。此时的后藤十郎意气风发，看着前方的晋绥军阵地，不屑一顾。
下午两点，日军炮兵率先进攻，无数发炮弹如同雨点般射向晋绥军阵地。瞬间晋绥军阵地就被日军炮火淹没，守军没有火炮，无法反击，只能瑟瑟发抖地躲在工事里等待日军炮击结束。
日军猛烈地炮击持续了近一个小时，守军阵地被摧毁殆尽，人员伤亡惨重。尽管如此，守军依旧坚持死守阵地，没有一个人后退。
后藤十郎也是一位狡猾的狐狸，他很清楚茹越口的地形易守难攻，于是他又使出了日军最喜欢用的迂回战术。他命令一小部分兵力在茹越口西北方向发起佯攻，牵制隘口西侧的晋绥军部队，联队主力则是迂回至规口前一带，向茹越口东南侧的高地发起进攻。
下午三点，日军步兵跃出阵地，向着茹越口东南侧前出阵地发起冲锋。日军攻势迅猛，一浪接着一浪，以连绵之兵强攻，打得守军死伤惨重。
面对日军步兵的波浪式冲锋，守军感觉对面的日军漫山遍野，源源不断，视觉上受到了极大的震撼。晋绥军虽然武器装备在全国军队中排名靠前，但是与日军相比还是差距太大。守卫前出阵地的晋绥军只是两个步兵连，他们没有迫击炮、掷弹筒之类的火炮，只能凭借手里的轻机枪、步枪、手榴弹抵抗日军。
战斗一开始就进入了白热化状态，守军死战不退，日军势在必得，双方打得昏天黑地，日月无光。然而日军终究占据着装备优势，将晋绥军打得节节败退。激战至日落时分，日军推进到了茹越口东南侧高地下，守军在付出巨大的伤亡后奉命后撤至高地上进行防守。
太阳落山后，日军停止了进攻。这主要原因是后藤十郎太过狡猾，他很清楚日军和晋绥军之间的优势和劣势，此时他并不熟悉茹越口的地形，贸然进去很容易进入晋绥军陷阱。同时日军占据着装备优势，正面对抗晋绥军根本不是对手，所以晋绥军要想取胜，只有通过偷袭，而夜间则是最好的偷袭时间。后藤十郎命令部队停止进攻后就地修筑阵地，严密警戒，布防的滴水不漏，根本不给晋绥军一丝夜袭的机会。
梁旅长接到今天的战报后，神情瞬间凝重，他知道自己这次遇上了一个非常难缠的对手。于是他打消了准备夜袭的念头，传令给第四百二十七团，命令他们加强警戒，加固阵地，防止日军偷袭。
随着太阳的再一次升起，后藤十郎开始了他的新一轮进攻。
27 日晨七点，位于崔庄的日军炮兵主力开始炮击茹越口东南侧高地。强大的炮火将高地炸得碎石四溅，火光冲天，爆炸的硝烟笼罩了整个高地。
梁旅长听着前方阵地上的隆隆炮声，内心感到无奈的同时又在担忧部下伤亡情况。让人感到悲哀的是整个第二百零三旅一门山炮都没有，只有少量迫击炮、重机枪作为火力支柱，面对日军凶猛的炮火，只能硬生生挨着，没有还击之力。
上午九点，持续了两个小时的炮击结束，日军步兵正式发起冲锋。负责进攻的日军是步兵第二大队和第三大队，但此时这两个大队都不满编，第二大队第六中队负责保护炮兵阵地，第三大队第十一中队则是担任茹越口西北方向的佯攻牵制任务。
担任防守的第四百二十七团一营、三营将士死战不退，顽强坚守阵地，多次击退日军进攻。
日军为了拿下高地，飞机、野炮轮番上阵，将晋绥军的阵地摧毁殆尽。面对此种情况，晋绥军将士只能趁着日军炮火停歇后抓紧时间抢修阵地，以单兵对抗迎击日军。
战至下午一点，晋绥军损失惨重，阵地不断被日军突破压缩，战况岌岌可危。
与此同时，位于茹越口西北方向的日军步兵第十一中队在看到联队主力攻击顺利后，也按捺不住那颗蠢蠢欲动的心，向着第四百零六团发动了进攻。
上午九点三十分，后藤十郎抽调预备队第一中队运动到第十一中队右侧，支援第十一中队的作战。第一中队在中午时分抵达攻击位置，未做任何休整，立即就对隘口西侧制高点展开攻击。守军虽然抵抗英勇，但是因为敌我双方实力差距太大，最终不敌败下阵来。下午一点四十左右，第一中队攻占隘口西侧高地。
尽管第四百二十七团损失惨重，阵地被接连突破，但是他们依旧没有退缩，放弃抵抗，而是收缩兵力，重新构筑防线，阻挡日军进攻。
下午四点二十分，筱原诚一郎重新调整兵力，将预备队第一大队增调到前线，由第一大队大队长一并指挥第一中队，向第四百零六团阵地进攻，并抽调第十一中队作为预备队并保护炮兵阵地。步兵第十六联队主力继续进攻第四百二十七团阵地，争取全歼晋绥军。同时命令野炮兵第二联队向前推进到茹越口附近，为步兵提供火力支援。但是此时第一大队和野炮兵第二联队都不是满编状态，第一大队两个步兵中队都不在前线，野炮兵第二联队也只有一个炮兵大队抵达战场。之所以出现这种情况是因为独立第 15 混成旅团一部兵力被东条英机作为察哈尔派遣军的预备队留守大同，另有一部兵力被抽调到浑源方向直接支援平型关一线的大战。
此时茹越口战场形势是步兵第十六联队主力两个大队对阵第四百二十七团，以步兵第一大队携第一中队对阵第四百零六团。
日军兵力调整完毕后，很快就再次发起进攻。晋绥军拼死抵抗，以血肉之躯对抗日军铺天盖地的炮火，死守阵地，寸土不让。双方从白天一直打到晚上，战火始终未歇，阵地上尸横遍野，流血漂橹。
在第四百二十七团方向，当天晚上日军第二大队派出第五中队偷袭石楼子东北方高地，遭到晋绥军拼死抵抗，激战一夜，直到 28 日拂晓时分才攻占高地。第三大队进攻晋绥军阵地，屡屡失败，被晋绥军死死地挡在了地裂沟，寸步未进。于是后藤十郎命令第三大队利用黑夜掩护后撤至规口前。随后又命令第三中队运动到第二大队西侧，攻击石楼子东侧高地。第三中队迅速抵达战场，投入战斗，在晚上九点左右攻入石楼子东侧高地。经过一番近战搏杀，晋绥军虽然战斗英勇，不畏生死，浴血搏杀，可最终还是被日军击退，石楼子东侧高地失守。
第四百零六团这边，第一大队下午五点出发，前往战场与第一中队会合。双方会合后，第一大队大队长发现第一中队进攻正面空间狭小，兵力无法展开，于是命令第二中队由土巷村迂回进攻。第二中队进攻犀利，趁夜偷袭，打了第四百零六团一个措手不及，接连突破晋绥军三道阵地。战至晚上十点，第二中队占领了第一中队西侧高地。
第四百零六团遭遇日军夜袭，伤亡惨重，两个营长牺牲，连、排级军官更是多人牺牲，最终为避免全军覆没，不得已放弃阵地。梁旅长见第四百零六团战败，连忙下令第四百零六团团长重新收拢溃兵。整顿部队，在宋家窑前至茹越口之间的东西山上构筑防线，同时抽调一部预备队紧急增援第四百零六团。
梁旅长这边，面对岌岌可危的形势，心里也是焦急万分，不断研究着作战地图，试图寻找机会扭转战局。
白天的战斗中，日军的炮兵对前沿阵地造成了很大的破坏，晋绥军伤亡惨重大多也都来源于日军炮火杀伤。经过一番思索，梁旅长最终决定派出第四百零五团两个营的兵力绕到日军后方，摧毁日军大炮。
28 日凌晨四点，第四百零五团潜伏到日军炮兵阵地附近，旋即向日军发起突袭。
在后方坐镇指挥的筱原诚一郎在听到茹越口炮兵阵地方向的枪声后，大惊失色。这时，筱原诚一郎又接到了野炮兵第二联队副官冈田少佐的求援，于是当即抽调部队前去增援。筱原诚一郎命令第十一中队、旅团通信队和旅团部卫兵增援炮兵阵地。没过多久，在后方的步兵第三十联队第二大队奉筱原诚一郎的命令抵达应县，随即就被筱原诚一郎派去消灭突袭炮兵阵地的晋绥军。
但是有句话说得好，远水解不了近渴，此时筱原诚一郎的各路援兵距离较远，一时无法赶到。因此第四百零五团的两个营一路突破日军多层阻拦，打得日军节节败退，炮兵阵地陷入危局。此时炮兵阵地上的日军兵力严重不足，即使再怎么骁勇善战，也挡不住晋绥军的突袭。
眼看着第四百零五团的突袭要取得胜利，上天再一次和晋绥军开了个玩笑。就在这节骨眼上，从前线撤下来的第三大队恰好赶到，得知晋绥军突袭炮兵阵地后，迅速从晋绥军后方发起进攻，与防守炮兵阵地的日军以及赶来增援的第十一中队对晋绥军形成夹击之势。第四百零五团被两面夹击，战局急转直下，战至凌晨五点半，两个营彻底被击溃。
然而对于这一切梁旅长这边一直不知道，自从第四百零五团出发后，整整一夜，他没有收到第四百零五团任何报告。
28 日上午，心急如焚的梁旅长再也无法安稳坐在指挥部，决定亲自到前线了解战况。然而他不知道的是此时茹越口两侧一些高地已经被日军占领，这使得他陷入了危险之中。
梁旅长带着警卫排和几个卫兵沿着茹越口中间那条沟向着前线赶来。一行人很快就被一个高地上的日军发现，由于梁旅长身着少将军装，一下就让日军判断出这是晋绥军的指挥官。于是高地上的日军迅速调转机枪，朝着梁旅长猛烈开火。一阵枪响过后，梁旅长和七八个卫兵如同被割断的稻草一般倒在了血泊里。
梁旅长被日军机枪打中，当场牺牲，附近的第四百二十七团三营将士将这一幕完整的看在眼里。看到旅长牺牲，将士们愤怒至极，在三营营长指挥下，向着射杀梁旅长的日军高地发起了决死冲锋。经过一番惨烈的战斗，最终全歼高地上的日军，为梁旅长报了仇。
梁旅长牺牲后，第二百零三旅陷入群龙无首局面，指挥混乱，各部开始各自为战。
日军敏锐地察觉到晋绥军的变化，后藤十郎当即下令全线进攻。晋绥军抵挡不住，阵地接连失守，士兵死伤惨重。一番血战之后，第二百零三旅残部退守到铁角岭，茹越口失守。
上午九点五十分，后藤十郎下令乘胜追击，向着铁角岭发起进攻。同时，在后方的筱原诚一郎也下达了追击命令，并派出第三十联队等部协同步兵第十六联队一起进攻铁角岭。
下午一点，独立第 15 混成旅团主力抵达铁角岭，随即展开攻击。第二百零三旅残部依托阵地就地抵抗，然而终因双方实力悬殊，战至 29 日拂晓，铁角岭大部分阵地被日军攻占。
29 日上午十点，铁角岭最高点 2530 高地被日军攻占，第二百零三旅残部死伤惨重，再也无力坚守，不得已全线后撤。
至此，茹越口方向阵地被日军彻底突破，繁峙县暴露在了日军兵锋之下。