八路军编入二战区作战序列，朱德任二战区副司令长官，在此之前，阎锡山已被任命为司令长官，卫立煌为副司令长官。
9月5日，八路军由朱德、彭德怀亲自率领第七军入晋参战，第三十八军屯兵韩城一带，做好随时入晋的准备。
9月11日，中华民国中央军事委员会下令，全军采用集团军制，八路军改称第十八集团军，朱德改称总司令，彭德怀改称副总司令。下辖第七军因与广西的第七军重名，改为新二军，这是原青马的番号。至此，第十八集团军下辖新二军、三十八军、独立师。
1937年9月19日，这天恰是中国农历的八月十五，是百姓团圆赏月的传统佳节。尽管一个多月前日军的侦察机、轰炸机已经三三两两地在太原上空不断地进行侦察和小型轰炸，北路战事也很吃紧，但这天仍有半城市民没有离家。天近黄昏，圆月尚未升到中天，一队“嗯、嗯、嗯”地喘息怪叫的日机蹿到上空。百姓一听这种沉闷的喘息声，便知敌机带的东西（炸弹）不少，顿时兴致全消，纷纷钻进临时挖下的窨子里。一阵狂轰滥炸，太原土货商场、新旧开化市一带即成火海。第二天，城内所剩市民再不用沿街串院的警察动员，便大批大批地向环抱太原的东西两山逃奔，哭声、喊声、咒骂声充斥满城，转眼之间，一座将近15万人口的城池变成了凄凉恐怖的世界。
阎锡山急了，态度来了一个一百八十度的大转变，由抗拒八路军入晋到急盼八路军入晋，亲自面见已经赶到太原的二战区副司令长官、十八集团军总司令，口口声声玉阶兄的叫，请求十八集团军立即命令在韩城待命的三十八军入晋参战，一定要保卫太原安全。
八路军五个师近十五万兵马进入山西，9月19日，彭德怀和彭雪枫面见阎锡山。阎锡山要求新二军和晋绥军高桂滋部共同防守平型关。在日军未到沙河前，即在灵丘、平型关、大营镇之线对日军进行抵抗；在日军进至沙河后，集中兵力与敌决战。在决战时要求八路军抄击日军进攻的左侧背。彭德怀同意，说八路军将运用运动战和游击战的结合，配合友军围歼日军。他更进一步说，友军坚守平型关正面，八路军一一五师隐蔽集结在日军前进道路的侧面，从侧后夹击进攻平型关的敌人。四十二师待机侧击进攻雁门关的敌人。经过一番争论，最后达成一个折衷方案：林彪率一一五师三四三旅去灵丘、上寨地区，相机协助友军袭击日军侧翼。聂荣臻率三四四旅及直属队进至阜平，平型关战役开始。
战斗打得极为惨烈，从22日开始，一直到25日结束，9月26日，115师参谋处发出告捷电：九月二十五日，我八路军在晋北平型关与敌万余人激战，反复冲锋，我军奋勉无前，将进攻之敌全部击溃。敌军被击毙者尸横山野。中共中央委员会主席、中革军委主席＂ｍａｏｚｅｄｏｎｇ＂在大捷次日致电朱德、彭德怀：“庆祝我军的第一个胜利”，“平型关的意义正是一场最好的政治动员”。国民政府领袖蒋中正两次致电祝贺嘉勉，国内各党派团体纷纷致电祝贺，欧美、东南亚媒体也报导了第十八集团军115师胜利的消息。
但是江云面对中央发送过来的战报，却是半天没有说出话来，他以为现在115师实力大增，与历史上不可同日而语，战斗会很轻松，但是没想到还是这样的结果，虽说主要是115师在打，但42师也参加的配合，在这样的条件下，115师的伤亡居然达到了惊人的1012人，不过好在歼敌1500余人，相比历史上让日军一个辎重队逃脱，这一次是全歼。
板垣征四郎的第五师团战斗力的确是名不虚传，一支辎重部队也几乎与八路军精锐的115师打了个平手，江云一时也起了雄心，有一股要会一会这个号称日军陆军之花的人物。
新二军、三十八军都入晋参战了，但独立师却还呆在盐池一带没有动静，独立师各旅都递交了请战报告，江云心里也急，可是阎锡山就是不松口，他可以让新二军和三十八军入晋，是为了保全山西，但他却不敢让独立师过来。
江云这个名字在国民党方面可是如雷灌耳的，阎锡山对江云也是做个研究的，但越是研究，就越是害怕，你看看江云干过的事，占灌阳、闹湘南、围长沙，过武汉，每到一地，就如蝗虫过境一般，能带走的全让他带走了，跟刮地皮似的，什么都不会放过。这要是让他来了山西，那山西这点家底还不让他掏个一干二净底朝天啊。
所以阎锡山一直没有答应让独立师入晋。再说了，八路军都来了两个军了，够多了，没有必要还要再加一个师，一个师而已，对战局未必有太大的作用。
11月2日，阎锡山和卫立煌召集第二战区高级将领，在太原长官部东花园中和斋，举行研究防守太原的高级军事会议。绥远省主席、第7集团军总司令、第35军军长傅作义将军慨然表态说：“弃土莫如守土光荣，太原城我守吧！”他明白“依城野战”结局将会如何，但是他仍想阻击日军，赢得使大部队安全撤退的时间。
11月5日，板垣征四郎率领追击部队侵入阳曲。突破娘子关的川岸文三郎部，也向小店镇、清源县推进。日军对太原城池形成了南北夹击之势。这天，日机不断在太原上空盘旋、侦察、轰炸，近百门炮向太原城内猛烈轰击。11月6日拂晓，板垣师团兵临城下。以飞机、重炮等向太原城防工事轮番轰击。首先被轰塌的是城东北角，日军在这里多次组织强攻，守军多次组织反击和修复豁口。激战一天，太原守军伤亡甚大。11月7日，日军在强大的炮火、飞机和坦克掩护下，冲进豁口，与守军短兵相接。守城将士奋勇杀敌，集中手榴弹、机关枪等火力击退日军。整日拉锯多次，日军终未得逞，敌我伤亡惨重。
11月8日凌晨，日军以更大的火力向几豁口处发起攻势，战斗达到了白热化。直打得地动山摇、血肉横飞。中午，日军从豁口处冲入城内，在大教场、坝陵桥一带展开巷战。下午6时许，守城部队间的通讯联络设备全部遭到破坏，形成了各自为战的混乱局面。已坚持4天孤军奋战的傅作义借着夜幕率部突围而出，太原落入敌手。
三天，仅仅只守了三天，太原就落日军手中，阎锡山这一次真是急了，这时候他才想起在陕西还有一个江云，那个红军八军团，八路军的独立师。如今太原都没了，哪还顾得上担心江云的搜刮。当即给八路军总部去电，要求立即调独立师入晋作战。
接到净锡山的电报，朱德笑道：“阎锡山急了。”
彭德怀不屑的说道：“活该，要是早点让独立师入晋，太原会不会丢都要另说，现在知道急了，晚了。”
左权问道：“两位老总，是不是马上给独立师去电，让他们出发？”
朱德道：“嗯，马上给江云去电，让他们立即出发，并附说明，独立师作战，由江云同志一人决断，总部不多作干涉。”
接到总部命令，没多久就接到了毛主席电报，均提到独立师作战，由江云决断这样的话。江云看后也是一阵感动，这可是莫大的信任。当然，也包含了莫大的希望，希望他能够继续创造奇迹。
江云立即召开团级以上干部会议，通报中央和总部命令，以会议上，江云宣布，独立师全师出征，分为三个梯队，第一梯队，由参谋长程子华同志率领特务团、骑一师、骑二师先行出发，过黄河，进入山西，第二梯队，由他自己和罗荣恒率警卫团、女子别动队、重机枪团、工兵团、炮兵师、一旅、二旅、三旅、五旅随后出发。第三梯队，由吴焕先率领其余部队一天后出发，四旅和六旅担任后卫。
程子华等人当然是大为高兴，担任先锋，就意味着能先进入战场，这对于已经两年没有打仗的将领来说，可是求之不得的。
最为不满的是王光道和张勇，这两位旅长直言，如今西北是大的方，根本不需要后卫部队，他们请求和第一梯队一块出发。