由於第1戰區在黃河以北的中條山地區，部署了7個軍，另4個軍部署於太嶽和太行山區。這7個軍背靠黃河，以中條山爲依託，形成半圓形東西約150公裏、南北約50公裏的防區。所以在得到敵向晉南增兵和情報之後，重慶的軍令部根據敵、我狀況、作戰方針、兵要地誌等對在晉南作戰曾研究了3個方案，以供選擇。
第一方案是將主力向黃河南岸撤退，鞏固河防。第二方案則計劃，乘敵集中未畢，制敵機先，以擊破其攻勢。第三方案則是採取機動戰術，變內線爲外線作戰。
但直至當敵情已相當明瞭之後，軍事委員會參謀總長何應欽才於4月18日，飛臨洛陽的第1戰區長官司令部，召開了有第1戰區、第2戰區、第5戰區高級將領參加的相應作戰準備軍事會議，研討晉南三角地帶的作戰準備，對此次作戰，何總長作了相應指示：晉南之敵，似將逐次奪取我中條山各據，企圖徹底肅清黃河北岸之我軍，然後與豫東之敵相呼應，進取洛陽、潼關，以威脅我第5戰區之側背，或西窺西安。中條山地位異常重要，如現三角地帶一部爲敵佔領，則隴海路不獨深感威脅，且洛陽恐亦難保，西安亦危。設洛陽西安不守，則第5戰區側背完全受敵威脅.
而在20日的，第二次軍事會議上，何總長則是採用軍令部第二案的精神，提出我軍爲確保中條山，第一步，第93軍由北向南，第27軍由東向西，與中條山右翼各部隊協力攻擊高平、晉城、陽城、沁水間之敵，以恢復1940年4月前之態勢；第二步，與晉西軍及第2戰區、第8兩戰區協力，包圍晉南之敵而殲滅之。最低限度應確保中條山，而從我控制於中條山以北及以東之兵團協力猛攻敵之左側背，擊破其攻擊之企圖。
根據何應欽的這一指示，也就等於是否定了向黃河以南撤退的第一方案，而轉爲以堅定之決心堅守中條山地區，抗擊日軍的侵入。爲此，要求第1戰區晉南作戰部隊應速作準備，派高級參謀前往現地偵察地形、敵情，提供作爲以後作戰指導的參考；防守中條山的各部隊應依山地之特性，以火力封鎖各道路口；利用中條山縱深地帶，多構築斜交陣地，以備一被突破時尚可依交叉火力撲滅之；對主陣地帶工事，須隨時日而增強.
但事實上，第1戰區主力自1938年.春，退入中條山地區至今，已長達3年，本有充裕的時間利用有利地形構築堅固工事，整訓部隊、加強戰備。但由於最高當局的錯誤決策以及上下之間、部隊之間矛盾重重等原因，原定一年的整訓拖了兩年半尚未完成，部隊則是對日疏於戒備，而且由於較長時間未遭日軍大規模進攻，已經成了馬放南山之勢。
4月28日，軍令部根據日軍在山西省.南部集結的情況，日軍日軍有由沁陽、濟源及橫嶺關、皋落鎮攻向黃河岸邊垣曲的企圖已經明顯。因決定，首先打破敵東、西兩路的進攻，於5月2日令第1戰區：以1個軍向東路的高平、博愛，另以1個軍向以西之聞喜、侯馬、夏縣採取攻勢，以擊破敵之進攻。另令：第2戰區的晉西部隊向同蒲路，第5戰區在黃汜區以東的部隊向隴海路發動攻擊，牽制各當面之敵。
5月3日，第1戰區制定出了相應作.戰計劃。方針是爲打破敵之進犯企圖，制敵機先，積極實施遊擊，以粉碎敵之攻擊準備及兵力集中。要領是以第27軍以一部積極向新鄉、博愛間道清鐵路沿線遊擊，可能時力求打破敵對白晉公路之封鎖。
第24集團軍，以有力之一部分別對安陽、淇縣及壺關.一帶遊擊。第9軍的冀察遊擊第1縱隊，以有力部隊進擊溫縣以東，積極實施敵後遊擊；該軍第47師控置於王屋、邵源間，修築封門口一帶工事。第14集團軍，以有力一部對高平及沁水、翼城方面積極實施遊擊，可能時力求突破陽城。第80軍則配屬河北民軍，以主力進出同蒲路、安邑、聞喜以西積極遊擊。第36集團軍，以一部加強中條山西段之遊擊。
第1戰區在防禦上，雖然向北、向西、向東的半圓形防.御線很長，但整個防禦縱深僅約50公裏，因而不利於長期堅守；多數部隊部署於第一線，缺乏足夠的預備隊；背後是黃河天險，未預築一定數量的橋頭堡，以保障戰時的水上交通；一旦被日軍突破，後果不堪設想。在作戰方針上，以10多個軍的兵力對日軍6個師團又3個旅團作戰，僅靠遊擊，實際難以粉碎日軍的進攻。所以，整個計劃幾乎就是一張廢紙。
4月10日，華北方面軍司令官-多田駿中將在1941年度‘治.安肅正作戰’的報告中對發動中條山會戰的目的作了明，即利用增兵之機，對晉南地區的中央軍，努力以大兵力作戰，除圖謀一掃黃河以北的中央軍勢力外，主要是爲了好集中力量對八路軍根據地進行毀滅戰。作戰企圖則是“當前任務在於消滅和掃蕩盤踞在晉豫邊區的中央軍主力，消滅其在黃河以北的勢力。擴大和利用這次會戰的戰果，藉以確保華北安定，並加強對重慶政權的壓力。
第1軍司令部方.面則決定徹底集中兵力，甚至不顧警備地區的治安下降，進行此次作戰。其作戰指導的一般要領是置作戰地區於張馬—垣曲一線，將中條山分爲東、西兩個地區把作戰重始終保持在西部地區。爲此，決定從42個大隊中集中35個大隊，能保持優勢兵力，把敵人完全包圍起來予以殲滅。
在正面利用既設陣地和黃河障礙，以挺進部隊切斷退路，從兩側迅速突入守軍縱深，將敵完全包圍爲了確保包圍圈，採取雙重包圍部署，以第36師團、獨立混成第9旅團爲內側包圍兵團，以第37師團、第41師團爲外側包圍兵團，將中國守軍切實包圍。作戰過程中，還要調整包圍線，防止敵人逃脫，並要特別增強外側包圍部隊的兵力。
要特別重視切斷作戰，爲此要部署許多經過挑選的挺進隊，走在敵人退卻和逃脫的前面，佔領黃河北岸重要地，切斷守軍退路，防止其向黃河南岸逃脫。因此，另採取一切措施，隱蔽企圖，在黃昏以後行動，快速襲擊敵人。然後在包圍圈內反覆掃蕩，將其全殲。
而就在第1戰區等部隊的所屬各軍的出擊部署尚未完成，日軍已開始進攻。早在之始前，日軍爲改善其態勢，於3月6日以第36師團主力和第35師團一部從壺關、高平、晉城等地會攻陵川，給中國第27軍以打擊，解除會戰時其左側背的威脅；3月10日，又以第37師團、第41師團和獨立混成第9旅團各一部向絳縣以東、翼城以南的第15軍進攻，奪佔松樹掌、西堡、東西桑池等要，以便會戰時其部隊展開。
5月5日，隨着本下敏的第1飛行團在新鄉開設了指揮所，日軍進攻首先從空中開始了，當日，兩個飛行團，分別在新鄉機場、運城機場完成部署，一部位於臨汾機場。隨之開始出動。次日，日軍飛機接連轟炸西安、咸陽、潼關、鄭州等地，並炸斷隴海鐵路。
5月7日晚間，日軍在中條山西部和東部的6個師團又3個旅團按計劃一齊開始行動，採用分割和作向心攻擊。由於中條山西部是日軍進攻的重，所以這裏，日軍共展開３3個師團又2個獨立混成旅團。而當面守軍爲第80軍及第5集團軍所屬第3軍、第17軍。日
7日薄暮前後，日軍第41師團及獨立混成第9旅團在絳縣以南的西桑池一線的第5集團軍和第14集團軍結合部處一線展開，分多路向守軍第43、第17軍突擊，其進攻矛頭由北向南，直指垣曲。守軍奮力抵抗。至8日晨，日軍首先突破據守皋落以西戰力較弱的第43軍陣地，隨後，第17軍陣地也被突破。於8日下午即攻佔了黃河北岸的垣曲（城關鎮）；割斷了第5、第14集團軍的聯繫。9日12時，與第36、第37師團對第5集團軍進行了雙重包圍，隨之開始攻擊，守軍即退至第二線陣地進行防禦。
由於日軍佔領中條山中部、黃河北岸重鎮的垣曲，事實上已經將中**隊分割爲東、西兩部。與此同時，日軍第36師團、第37師團及獨立混成第16旅團在夏縣至張店間展開，向守軍第3軍、第80軍發起猛烈進攻，主突方向爲第3軍與第80軍的結合部。
作戰中，第3軍、第80軍進行了英勇的抵抗，損失嚴重。9日晨4時，當日軍已攻至第5集團軍司令部所在地夏縣以東的馬村附近時，第5集團軍總司令曾萬鍾即率集團軍總司令部東移至南澗溝，拂曉時分，曾萬鍾接到了戰區長官司令部電話，在電話裏，司令長官衛立煌告知“戰區已派兩個團的部隊，在五福澗以北高地，佔領了橋頭堡，並徵集了10餘隻渡船，不得已時，各軍應逐次南移，在五福澗渡河。”
激戰至天亮，日軍在張店附近突破第80軍右翼陣地，切斷了第3軍、第80軍的聯繫，並沿黃河北岸向東突進，第5集團軍被迫退守秦家嶺、望原等第二線陣地。第80軍退守臺寨。