中国军队的任务在尽力在原平镇坚守来争取时间，而日军第十五旅团收到的命令是尽快突破原平镇，不给忻口中国军队留下布防时间，他们要尽到达忻口，突破到达太原的最后一道天险。
第十五旅团到达原平城外后，来不及修整，就将炮兵集中起来，在一气铺天盖地的轰炸之后派出步兵开始了试探性进攻，姜玉贞自然知道日军首次进攻的意图，并未将大部分火力暴露出来，而是主要以步枪进行反击，看到守军的火力并不强后，第十五旅团就开始了大规模进攻。
面对这种既定工事的防守，日军还是比较喜欢的，在他们看来，日军有着比中国军队更好的装备和火力，这种作战当时利于他们火力的发挥。对于固定目标的轰炸，日军的炮兵更是喜欢，没有什么比这种固定靶更好打了，以日军炮兵的训练水平，一般经过一两发炮弹的试射就可以准确击中这种固定目标。
但是在这时开始，日军步兵第十五旅团才发现他们之前将前景想象的太好，面前的晋绥军守军进行了非常顽强的抵抗，完全不惜命，且士兵的作战水平要比之前见过的中国军队都强，要比作为中央军的13军都强。日军在原平镇北的进攻未能取得实效，反而留下了不少的尸体。
但是第十五旅团在上级的督促下，被逼的也是没有办法，面对这种情况也只能继续不要命的冲锋。在日军这种持续不断的冲锋，且加上日军飞机的助战下，196旅的官兵坚守的每一个小时，都要付出不少的伤亡，原平城外阵地上的每一寸工事几乎都受到过炮弹或者航弹的洗礼，战士们以血肉之躯承受着日军的钢铁轰炸，在原平这片不大的地方上，简直是一寸山河一寸血。
日军第十五旅团在到了原平镇外与196旅接战后，最开始时还有余力来兼顾周围，在驻地四周都安排了防守部队，但是在进攻原平两天后，由于前线的吃紧，再顾不上兼顾侧后，兵力都集中到了进攻当中，侧后方向都非常的空虚。
对于日军暴露出的这个漏洞，教导旅自然没有理由不理会，李志坚命令由教导队改编的教导一团一营，加强部分炮兵，在队长王伟的指挥下，秘密到达刚侦查到的日军炮兵阵地外几公里处，除了一些观察哨在山头上外，其余人员在山腰上布置了炮兵阵地。他们携带了12门80毫米迫击炮，晋造80迫击炮的最大射程就3.5公里左右，这里已经是炮兵经过测算距离日军炮兵阵地的最远有效距离，并且中间有一些小山，可以避免被日军炮兵包围部队发现，可以利用迫击炮曲射发射炮弹到日军炮兵阵地上。
在迫击炮安装完成后，炮兵们就按照计算好的弹道进行发射，每门炮携带了一个系数的炮弹，所有炮在每发射一发后就按照山顶观察员的提示进行修正，由于李志坚之前的严酷训练，李志坚炮兵的素质都较高，打击精度很高，两发急速试射后其余的炮弹大多都发射到了日军的炮兵阵地上。上百发迫击炮将日军的炮兵阵地全部覆盖，基本上将日军阵地上的大炮十几门山炮和野炮全部摧毁，在阵地上的部分弹药还发生了殉爆，将周围不少被炸伤的日军炮兵直接打成了碎片。
在携带的炮弹都打完之后，王伟就马上令炮兵收拾迫击炮进行撤离，由于晋绥军现在配备了相当一部分的山西实业公司产的货运自行车，这次行动前，李志坚抽调了十辆来让他们使用，再多的化目标就会太大。撤退的炮兵扛起迫击炮跑了几百米后，放在山脚的自行车上就先行撤离。
而王伟则率领其他人员在第二线布置阻击追击的日军，日军的火炮有专门的防卫部队，不过并不完全就在炮兵阵地上，因此逃过一劫，在炮兵阵地被摧毁之后，日军的这些保卫部队立即开始反击，不过被隐蔽起来的阻击部队又用冷枪收割了一批，在将追击的日军大部用冷枪收拾掉，剩余日军不敢继续追赶以后，王伟才带着人不慌不忙的撤退。
教导旅以零打碎敲的方式也取得不小的收获，第十五旅团的压力大增，更无法突破原平阵地。日军无奈，只能给原平增兵，至10月9日，日军加强的堤支队抵达原平镇，大批日军生力军的加入，原平镇城北的196旅阵地彻底无法再支撑，剩余力量只能都退到城里来准备继续抵抗。
在196旅遭到重大损失，准备退进原平城内时，李志坚亲自进入原平城中来见到姜玉贞，姜玉贞本已有了必死之心，在李志坚说道教导旅携带了不少的炸药，可以在镇中城墙里布置，待日军进来后引爆，同时他带了一些生力军可以作为反击力量，196旅已可以先到撤到教导旅在城南几公里处挖掘的工事修整。
姜玉贞听后不敢马上决定，在派人到城南看过工事之后才最终下定决心，将原平镇交给了教导旅。
李志坚迅速将炸药和引爆器在城内北门处安放，日军进城部队开始也比较谨慎，发现抵抗并不激烈后，大股部队才进城。这一股日军刚进城，教导旅就引爆了炸药，瞬间将进城日军炸倒一大片，随后城内的教导旅一部利用装备冲锋枪较多的优势，对进城残余日军进行反击，剩余日军在被突然而来的爆发还弄得发懵的时候，就看见不少晋绥军战士持着冲锋枪而来，大多还没来的及进行战术规避就被密集的弹雨扫倒，进城日军除了少量幸存逃出外，其余全部被歼。
教导旅知道日军随后肯定会进行大规模炮击，就迅速全部退出原平镇，向南撤退。
也的确如所料，日军堤支队的炮兵马上对原平镇进行了覆盖轰炸，几乎将城中炸成一片废墟。虽然部分断后的教导旅官兵被炸死炸伤，但是主力还是及时撤了出去。
日军在进城后才发现守军早已全部撤离，撤到了城外的工事里，原平城内只留下了一片废墟。日军指挥官瞬间暴怒，马上又开始进攻在城南的工事，不过还是碰了一头血。196旅和教导旅一起将日军迟滞到10月15日，在阎锡山通知可以撤退后才最终撤出。
部队撤出原平的时候，196旅原本六千多人，就剩下两千多人，其中还有几百人是伤员。196旅趁夜色退到忻口防线内，而教导旅则撤到了西面的山中。
196旅撤到忻口防线南内后，伤员几百人被马上送到忻县医院进行治疗，其余一千多保存下来人员撤往太原进行休整，在太原，阎锡山给196旅补充了两个预备役团，使196旅又基本恢复至战前的人员规模，姜玉贞结合战场上的收获，对新兵进行了针对性训练，当然这是后话。