日军二十六师团等部队从北平出来，一路向西时，中国方面已经基本断定了日军的意图，不久后，第五师团也开始在大同动员，在先头部队出了大同城时，中国军队方面就已经完全确定了日军的目的。
于是在山西的中国部队也纷纷进行动员向指定阵地布防。
本次忻口方面作战的总指挥还是卫立煌，参战部队有杨爱源第六集团军，下辖孙楚第33军； 傅作义第七集团军，下辖傅作义第35军，陈长捷第61军，王靖国第19军，赵承绶的骑兵一军；卫立煌十四集团军，下辖裴昌会第9军，刘茂恩第15军，高桂滋第17军。在战前，14军被调离山西，由李默庵带领到达河南黄河南岸。
由于这次日军势大，从晋绥军高层到武汉国民政府，都将心提了起来。从初步可以断定的日军进攻山西腹地的力量即已经有四个师团，两个旅团和一个野战重炮旅团。
而面对如此多的日军的进攻，现在忻口一线的中国军队力量还不及第一次会战时，所以军政部紧急将陕军杨虎城部进行改编，其中两个师分别扩编为38军和96军，组建第四集团军，由陕西省主席孙蔚如担任集团军司令率军前往忻口支援。
娘子关方向还主要是第一次太原会战时的队伍，由于阎锡山的大力争取，原有的26路军、27路军部分部队、第22集团军的41军等部队都被留在了山西，各部基本上还是在原有的阵地上。
总指挥由驻军中实力最强的26路军司令孙连仲担任，26路军下辖了第3军、第30军和第42军三个军。并且孙连仲也亲自参与了上一次娘子关战役，对娘子关的地形已经比较熟悉。
不过这次晋绥军向娘子关方向增加了力量，有杨澄源第34军（缺70师）、教导旅，以及炮垒3大队。
按照战前的作战推演，第二次以太原为中心的保卫战有三个关键点：
一是必须守住忻口中央阵地；
二是必须在敌后将日军的锐气消耗掉；
三是守好娘子关一线。
针对第一个关键点，阎锡山早早就将炮垒二大队配备到位，炮垒二大队可以说是现在中国现在最强的炮兵部队，有150毫米口径重炮15门，75毫米山炮36门，还有比较多的防空武器，并且为他们修建的钢筋混凝土要塞也已经建成。
之前忻口主阵地由61军主力两个师驻守，此时将19军全军也派了上去，两个军共同防守南怀化主阵地，并由傅作义的35军作为预备队。
经过第一次忻口会战，阎锡山和卫立煌都发现晋绥军的战斗力要强于14集团军所辖的几个军，士兵的训练水平要更好一些，最主要是火力绝对强，远超过旁系中央军。所以这次在中央阵地上，都布置的是晋绥军。
此次日军进攻，所有人判断日军进攻的绝对的重心，肯定就是凿穿忻口主阵地，到时候蓄力来攻，前线的压力绝对大，所以阎锡山在中线布置了最为雄厚的力量，战车营在被阎锡山布置在了这里。
十四集团军的3个军则是主要守忻口西线。
33军和34军的70师守忻口东线，待第四集团军到达后，再补入东线。现在第四集团军主力已经过了黄河，正在同蒲线南段集结，等待乘坐火车到达忻口。
督军府直属的两个炮兵旅，分别补充给东西两线，作为东西两线的战略支援力量。西线第十四集团军的炮兵力量不足，必须加以强化。
针对第二个关键点，阎锡山和参谋部的人都认为应该将骑兵军放在外围，经过前期的战斗，所有人都意识到想要打败日军，只能是打乱其后勤，不能让日军准备到最好的状态来攻打我，同时运动中可以减少日军重装备的威力，减小自身的损失。
所以将一个骑兵军全部放在雁门关外，主要阻挡从大同南下第五师团，由其进行机动作战，如果日军围攻的话可以快速退往绥远。
除骑兵一军外，61军的新三师李志坚部到达平型关一线进行阻击，阻挡从北平出发，经涞源进入山西的日军。
33军、34军、35军和19军每个军都派一个旅北上，在平型关到雁门关一线的要害关口处进行驻防，利用好晋北的地利进行阻敌，消耗日军的锐气，同时要在日军突破后，在其周围游击。
这些部队在战前都已经部署，所以在日军从大军出动前，在晋北的晋绥军已经部署了不少人马。
对于第三个关键点，守好娘子关没有太多的花哨之处，就是主要守好雪花山一线，就要像钉子一般钉在那里。34军按照阎锡山的命令，由姜玉贞的新四师驻守主阵地，姜玉贞再次面临当初守原平时的局面，不过这次他可以指挥的人马更多，不光有新四师，还有教导旅，炮垒三大队等辅助，可以直接指挥的人马超过两万人，此外还有其他大量友军。