追击！直插忻口日军主力的侧后方，切断他们的退路！”
中央军杀入日军阵地的消息，很快传到了忻口中方指挥部。阎老西看着战报，激动得热泪盈眶：“汤恩博终于到了！反击的时候到了！”他当即下令：“忻口防线全体将士，发起全面进攻！与中央军夹击日军，将小鬼子赶出忻口！”
早已憋足了劲的晋绥军、鲁军、西北军将士们，接到命令后，如同猛虎下山般冲出阵地。傅作亿率领的晋绥军，虽伤亡惨重却锐气不减，士兵们端着刺刀，与日军展开白刃战；韩复榘的鲁军将士们，挥舞着大刀，高喊着“杀鬼子”的口号，奋勇冲锋；杨虎成的西北军则依托地形优势，用迫击炮精准打击日军的集结点，为步兵开辟前进道路。
中方的全面反攻，让忻口前线的日军彻底陷入混乱。第五师团、第十师团本就因补给中断而战力受损，如今右翼被突破，侧后方又遭到中央军的猛攻，首尾不能相顾，阵脚大乱。日军指挥官板垣征四郎试图组织部队抵抗，却根本无法控制溃散的局面，只能下令全线后撤。
而此时的八路军，也趁势发起了“痛打落水狗”的攻势。三个师数万人全线出动，从各地出击，袭击日军的后撤部队、破坏交通线、抢占日军的临时物资仓库。日军后撤的车队屡屡遭到八路军的伏击，汽车被炸毁，物资被缴获，士兵伤亡惨重。
“小鬼子哪里跑！留下物资再走！”八路军的战士们，握着李辰支援的德式步枪，对着逃窜的日军猛烈射击。在一处日军的临时仓库，八路军战士们缴获了大量的粮食、弹药与药品，还有不少日军的武器装备，极大地补充了自身的战力。
中方部队一路追亡逐北，晋绥军、中央军、鲁军、西北军在前线正面追击，八路军在敌后袭扰拦截，日军如同丧家之犬，狼狈逃窜。沿途的百姓们自发组织起来，拿着锄头、扁担，加入到追击的行列中，有的为中方部队带路，有的则拦截溃散的日军士兵，为这场反攻增添了不少助力。
十二月七日，中方部队追击至大同外围阵地。此时的日军已龟缩在大同城内，凭借坚固的工事固守待援，中方部队经过连日追击，也已疲惫不堪，弹药与粮食供应也需要补充。阎老西与汤恩博商议后，决定停止追击，在大同外围构筑防线，与日军形成对峙。
忻口战役至此落下帷幕。经统计，此战日军前后共损失三万余人，其中第五师团伤亡过半，第十师团伤亡达一万余人，独立混成第二旅团只剩不到一个联队的兵力，装备损失更是不计其数，大量的火炮、坦克
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