由于第1战区在黄河以北的中条山地区，部署了7个军，另4个军部署于太岳和太行山区。这7个军背靠黄河，以中条山为依托，形成半圆形东西约150公里、南北约50公里的防区。所以在得到敌向晋南增兵和情报之后，重庆的军令部根据敌、我状况、作战方针、兵要地志等对在晋南作战曾研究了3个方案，以供选择。
第一方案是将主力向黄河南岸撤退，巩固河防。第二方案则计划，乘敌集中未毕，制敌机先，以击破其攻势。第三方案则是采取机动战术，变内线为外线作战。
但直至当敌情已相当明了之后，军事委员会参谋总长何应钦才于4月18日，飞临洛阳的第1战区长官司令部，召开了有第1战区、第2战区、第5战区高级将领参加的相应作战准备军事会议，研讨晋南三角地带的作战准备，对此次作战，何总长作了相应指示：晋南之敌，似将逐次夺取我中条山各据点，企图彻底肃清黄河北岸之我军，然后与豫东之敌相呼应，进取洛阳、潼关，以威胁我第5战区之侧背，或西窥西安。中条山地位异常重要，如现三角地带一部为敌占领，则陇海路不独深感威胁，且洛阳恐亦难保，西安亦危。设洛阳西安不守，则第5战区侧背完全受敌威胁.
而在20日的，第二次军事会议上，何总长则是采用军令部第二案的精神，提出我军为确保中条山，第一步，第93军由北向南，第27军由东向西，与中条山右翼各部队协力攻击高平、晋城、阳城、沁水间之敌，以恢复1940年4月前之态势；第二步，与晋西军及第2战区、第8两战区协力，包围晋南之敌而歼灭之。最低限度应确保中条山，而从我控制于中条山以北及以东之兵团协力猛攻敌之左侧背，击破其攻击之企图。
根据何应钦的这一指示，也就等于是否定了向黄河以南撤退的第一方案，而转为以坚定之决心坚守中条山地区，抗击日军的侵入。为此，要求第1战区晋南作战部队应速作准备，派高级参谋前往现地侦察地形、敌情，提供作为以后作战指导的参考；防守中条山的各部队应依山地之特性，以火力封锁各道路口；利用中条山纵深地带，多构筑斜交阵地，以备一点被突破时尚可依交叉火力扑灭之；对主阵地带工事，须随时日而增强.
但事实上，第1战区主力自1938年.春，退入中条山地区至今，已长达3年，本有充裕的时间利用有利地形构筑坚固工事，整训部队、加强战备。但由于最高当局的错误决策以及上下之间、部队之间矛盾重重等原因，原定一年的整训拖了两年半尚未完成，部队则是对日疏于戒备，而且由于较长时间未遭日军大规模进攻，已经成了马放南山之势。
4月28日，军令部根据日军在山西省.南部集结的情况，日军日军有由沁阳、济源及横岭关、皋落镇攻向黄河岸边垣曲的企图已经明显。因决定，首先打破敌东、西两路的进攻，于5月2日令第1战区：以1个军向东路的高平、博爱，另以1个军向以西之闻喜、侯马、夏县采取攻势，以击破敌之进攻。另令：第2战区的晋西部队向同蒲路，第5战区在黄汜区以东的部队向陇海路发动攻击，牵制各当面之敌。
5月3日，第1战区制定出了相应作.战计划。方针是为打破敌之进犯企图，制敌机先，积极实施游击，以粉碎敌之攻击准备及兵力集中。要领是以第27军以一部积极向新乡、博爱间道清铁路沿线游击，可能时力求打破敌对白晋公路之封锁。
第24集团军，以有力之一部分别对安阳、淇县及壶关.一带游击。第9军的冀察游击第1纵队，以有力部队进击温县以东，积极实施敌后游击；该军第47师控置于王屋、邵源间，修筑封门口一带工事。第14集团军，以有力一部对高平及沁水、翼城方面积极实施游击，可能时力求突破阳城。第80军则配属河北民军，以主力进出同蒲路、安邑、闻喜以西积极游击。第36集团军，以一部加强中条山西段之游击。
第1战区在防御上，虽然向北、向西、向东的半圆形防.御线很长，但整个防御纵深仅约50公里，因而不利于长期坚守；多数部队部署于第一线，缺乏足够的预备队；背后是黄河天险，未预筑一定数量的桥头堡，以保障战时的水上交通；一旦被日军突破，后果不堪设想。在作战方针上，以10多个军的兵力对日军6个师团又3个旅团作战，仅靠游击，实际难以粉碎日军的进攻。所以，整个计划几乎就是一张废纸。
4月10日，华北方面军司令官-多田骏中将在1941年度‘治.安肃正作战’的报告中对发动中条山会战的目的作了说明，即利用增兵之机，对晋南地区的中央军，努力以大兵力作战，除图谋一扫黄河以北的中央军势力外，主要是为了好集中力量对八路军根据地进行毁灭战。作战企图则是“当前任务在于消灭和扫荡盘踞在晋豫边区的中央军主力，消灭其在黄河以北的势力。扩大和利用这次会战的战果，借以确保华北安定，并加强对重庆政权的压力。
第1军司令部方.面则决定彻底集中兵力，甚至不顾警备地区的治安下降，进行此次作战。其作战指导的一般要领是置作战地区于张马--垣曲一线，将中条山分为东、西两个地区把作战重点始终保持在西部地区。为此，决定从42个大队中集中35个大队，能保持优势兵力，把敌人完全包围起来予以歼灭。
在正面利用既设阵地和黄河障碍，以挺进部队切断退路，从两侧迅速突入守军纵深，将敌完全包围为了确保包围圈，采取双重包围部署，以第36师团、独立混成第9旅团为内侧包围兵团，以第37师团、第41师团为外侧包围兵团，将中国守军切实包围。作战过程中，还要调整包围线，防止敌人逃脱，并要特别增强外侧包围部队的兵力。
要特别重视切断作战，为此要部署许多经过挑选的挺进队，走在敌人退却和逃脱的前面，占领黄河北岸重要地点，切断守军退路，防止其向黄河南岸逃脱。因此，另采取一切措施，隐蔽企图，在黄昏以后行动，快速袭击敌人。然后在包围圈内反复扫荡，将其全歼。
而就在第1战区等部队的所属各军的出击部署尚未完成，日军已开始进攻。早在之始前，日军为改善其态势，于3月6日以第36师团主力和第35师团一部从壶关、高平、晋城等地会攻陵川，给中国第27军以打击，解除会战时其左侧背的威胁；3月10日，又以第37师团、第41师团和独立混成第9旅团各一部向绛县以东、翼城以南的第15军进攻，夺占松树掌、西堡、东西桑池等要点，以便会战时其部队展开。
5月5日，随着本下敏的第1飞行团在新乡开设了指挥所，日军进攻首先从空中开始了，当日，两个飞行团，分别在新乡机场、运城机场完成部署，一部位于临汾机场。随之开始出动。次日，日军飞机接连轰炸西安、咸阳、潼关、郑州等地，并炸断陇海铁路。
5月7日晚间，日军在中条山西部和东部的6个师团又3个旅团按计划一齐开始行动，采用分割和作向心攻击。由于中条山西部是日军进攻的重点，所以这里，日军共展开33个师团又2个独立混成旅团。而当面守军为第80军及第5集团军所属第3军、第17军。日
7日薄暮前后，日军第41师团及独立混成第9旅团在绛县以南的西桑池一线的第5集团军和第14集团军结合部处一线展开，分多路向守军第43、第17军突击，其进攻矛头由北向南，直指垣曲。守军奋力抵抗。至8日晨，日军首先突破据守皋落以西战力较弱的第43军阵地，随后，第17军阵地也被突破。于8日下午即攻占了黄河北岸的垣曲（城关镇）；割断了第5、第14集团军的联系。9日12时，与第36、第37师团对第5集团军进行了双重包围，随之开始攻击，守军即退至第二线阵地进行防御。
由于日军占领中条山中部、黄河北岸重镇的垣曲，事实上已经将中**队分割为东、西两部。与此同时，日军第36师团、第37师团及独立混成第16旅团在夏县至张店间展开，向守军第3军、第80军发起猛烈进攻，主突方向为第3军与第80军的结合部。
作战中，第3军、第80军进行了英勇的抵抗，损失严重。9日晨4时，当日军已攻至第5集团军司令部所在地夏县以东的马村附近时，第5集团军总司令曾万钟即率集团军总司令部东移至南涧沟，拂晓时分，曾万钟接到了战区长官司令部电话，在电话里，司令长官卫立煌告知“战区已派两个团的部队，在五福涧以北高地，占领了桥头堡，并征集了10余只渡船，不得已时，各军应逐次南移，在五福涧渡河。”
激战至天亮，日军在张店附近突破第80军右翼阵地，切断了第3军、第80军的联系，并沿黄河北岸向东突进，第5集团军被迫退守秦家岭、望原等第二线阵地。第80军退守台寨。