大雪之日，日军的飞机再无法起飞，于是在忻口一线的晋绥军在白天就开始了对日军的反击。
这次反击最先只有晋绥军，准确的说，是忻口线上的晋绥军炮兵反击。没有了天上的飞机威胁，这次晋绥军的火炮都拉了出来。
晋绥军现在的火炮数量已经超过了前线日军的火炮数量，相对于日军现在弹药的囧迫，而晋绥军的炮弹则是非常的充裕，在第十天这一天，光晋绥军的十五门重炮就发射了几百发的炮弹，居高临下，日军的布防大多可见，这些150毫米炮弹炸到哪里，哪里就是一片断臂残肢。
由于日军多日进攻，完全和守军前线纠缠在一起，中间再无法建立泾渭分明的中间地带。所以两军前线部队之间的距离并不远，日军也处在了105毫米和75毫米口径山炮的射程之内。
这些稍小口径的炮弹更是不计其数射向日军阵地。日军本来作为进攻的一方，根本没有准备多少防御工事，现在被雨点一般的炸弹轰炸，日军简直躲无可躲，士气彻底消散，对于攻下忻口，这时所有前线的日军都不再抱此希望，只希望能平安的退回去，保住自己的性命。
在这么好的形势下，不去找事就不是李志坚的性格，趁着日军乱的时候，新三师和四个旅，几乎都全军出动进行进攻，日军虽然残忍，对自己也残忍，但是怎么说也是人，在绝境中也会怕，也会恐惧，也有人的本能。
北线的反攻得到了阵地上的晋绥军炮兵的有力支援，到了后面，有些炮兵指挥官，直接将炮拉到了山顶，对着日军就是直轰。
新三师的迫击炮、山炮等也是跟着前面步兵进攻的人潮炸，步兵进攻至哪里，炮弹就跟着炸到哪里的日军，随着新三师一起进攻的四个旅的官兵也有了一种自己成为了精锐的感觉。
在新三师等部进攻了几个小时后，忻口一线的部队才断断续续的派了出来，开始都是一个团一个团的派，连在忻口作为压阵的战车营都派了出来，到了后来日军实在不支，开始整军后撤的时候，忻口线上的部队才更大规模的冲了出来。不过李志坚知道，守在阵地里的人，一定比冲出来的人多，对于前线的安排，虽然保守，但是保证了忻口防线这个根本的安全。
这时李志坚再顾不上管日军的其他部队，他一心想要缴获日军的150毫米重炮，直接带着新三师和几个旅就朝着这个方向一直在突击，此处日军的炮兵阵地周围虽然有一定护卫，但是也陷入了短暂的混乱，士兵的士气大减，新三师趁机冲垮日军的炮兵护卫部队。
最后得以在日军大规模毁炮前将阵地上的日军全部歼灭，将阵地上的所有炮都控制在手上。
这些重炮总数有32门，不过有4门还是被疯狂的炮兵在死前同归于尽，有几个炮兵用手雷在炮管内炸响，顾不上填充别的，自己则用身体堵住炮口，将内部的膛线炸毁，虽然炮本身受损不大，但是膛线一坏，炮也就不能再用。实现了人在炮在，人亡炮亡。
这还是新三师的速度够快，其他炮兵顾不上这样做，才将大部分的火炮保了下来。
在这些重炮周围还有8门从来没有见过的长身管105毫米火炮，这款火炮在上次会战中第五师团并没有使用，李志坚通过这种火炮的身管长度判断，肯定射程不会小，猜测应该也是配属给野战第二重炮旅团的火炮。
所以就找来几发剩余的炮弹，将其中一发进行试射来攻击撤退的日军，将火炮以45度仰角进行发射，最后观测的射程远远超过之前缴获的日式150毫米口径榴弹炮的射程。剩余的几发炮弹李志坚没舍得继续打出去，保留下来准备送到太原兵工厂进行试产。这种长身管的炮，射程远，精度肯定也高，之后对俘掳的日军伤兵进行了解，这种炮是九二式105毫米加农炮。
能缴获这些炮，令李志坚非常的高兴，马上安排将这些重炮连同被毁坏的几门，全部运到安全地区，防止雪停天晴后日军飞机来轰炸。
在新三师忙着抢炮的时候，日军的正式撤退令也已经到达，撤退的命令是在大军主动后撤后才发来的，其实有些地方已经开始溃散，这还是在忻口线上的部队没有把握住战机，如果当机立断，派出大军进攻，那么很有可能已经造成日军的大规模溃败。
但是没有如果，日军出了晋绥军火炮的射程后，就陆陆续续的又恢复了编制。
由于日军残存的力量仍然不小，之前每天的空投中给每个人还补充一定的子弹，所以追击过程也并不是非常顺畅。追击部队也不敢靠的太前，这次日军将火炮、辎重全部舍弃，轻装后撤，所以就沿着山区撤退，断后的日军还趁着当天夜里光线不好，伏击了几次追击的部队，使得追击更加无力。
在日军开始撤退的第二天白天天气放晴后，日军飞机就一直在天上进行掩护。虽然还免不了被阻拦的骑一军部队收割一部分，但是撤退日军是按照建制后撤，未再发生混乱。
在前线的中国军队也都连续作战多日，伤亡不小，且都已经疲惫，所以阎锡山和卫立煌也就下令停止步兵追击撤退日军，由骑一军跟随撤退日军。其余部队沿着日军退兵的路线，就地收复日军占领的地区，直至日军退回大同。
本次作战，在忻口的日军总计伤亡近五万，战死三万多，在撤退的时候，一个野战救护站的上千伤员和医生护士都没有来得及带走，直接被中国军人给了结。
不过这还是没有包括娘子关一线歼敌数量，估计此处日军也有上万人的伤亡，前线部队向外宣称歼灭日军十万，取得了又一次辉煌的大捷。