线的日军彻底陷入混乱。第五师团、第十师团本就因补给中断而战力受损，如今右翼被突破，侧后方又遭到中央军的猛攻，首尾不能相顾，阵脚大乱。日军指挥官板垣征四郎试图组织部队抵抗，却根本无法控制溃散的局面，只能下令全线后撤。
而此时的八路军，也趁势发起了“痛打落水狗”的攻势。三个师数万人全线出动，从各地出击，袭击日军的后撤部队、破坏交通线、抢占日军的临时物资仓库。日军后撤的车队屡屡遭到八路军的伏击，汽车被炸毁，物资被缴获，士兵伤亡惨重。
“小鬼子哪里跑！留下物资再走！”八路军的战士们，握着李辰支援的德式步枪，对着逃窜的日军猛烈射击。在一处日军的临时仓库，八路军战士们缴获了大量的粮食、弹药与药品，还有不少日军的武器装备，极大地补充了自身的战力。
中方部队一路追亡逐北，晋绥军、中央军、鲁军、西北军在前线正面追击，八路军在敌后袭扰拦截，日军如同丧家之犬，狼狈逃窜。沿途的百姓们自发组织起来，拿着锄头、扁担，加入到追击的行列中，有的为中方部队带路，有的则拦截溃散的日军士兵，为这场反攻增添了不少助力。
十二月七日，中方部队追击至大同外围阵地。此时的日军已龟缩在大同城内，凭借坚固的工事固守待援，中方部队经过连日追击，也已疲惫不堪，弹药与粮食供应也需要补充。阎老西与汤恩博商议后，决定停止追击，在大同外围构筑防线，与日军形成对峙。
忻口战役至此落下帷幕。经统计，此战日军前后共损失三万余人，其中第五师团伤亡过半，第十师团伤亡达一万余人，独立混成第二旅团只剩不到一个联队的兵力，装备损失更是不计其数，大量的火炮、坦克、汽车被中方缴获。而中方部队虽也伤亡五万余人，但相较于日军的损失，已是一场辉煌的大胜。
消息传回南京，国府立刻大肆宣传忻口大捷。中央广播电台连日播报战役的胜利消息，报纸头版头条刊登“忻口大捷，重创日寇”的标题，委员长还特意发表讲话，称赞“忻口之胜，是全民族抗战的伟大胜利，是各军队同心协力的成果”，并对阎老西、汤恩博、韩复榘、杨虎成及八路军进行了嘉奖。
国际社会也对忻口大捷给予了高度关注。英吉利《泰伍报》评论道：“忻口战役的胜利，展现了华夏军队的顽强战力与中华民族的团结精神，小日子‘三个月灭亡华夏’的狂妄企图，再次遭到沉重打击。”美立坚《纽时报》也报道称：“华夏军队在忻口的胜利，改变了华北战场的局势，日军的进攻势头已被遏制。”
而东京日军大本营，却陷入了一片死寂。忻口战役的惨败，让日军损失了三万余精锐，第五、第十师团元气大伤，短期内难以恢复战力。更重要的是，这场失败让日军在国际上丢尽了脸面，原本嚣张的侵略气焰遭到沉重打击。日军参谋本部不得不调整华北战略，从原本的全面进攻转为战略防守，华北战事从此陷入焦灼状态。
“支那人的战力超出了我们的预期，尤其是李辰的部队与中央军、晋绥军的协同作战，给我们造成了巨大的损失。”日军陆军大臣杉山元在作战会议上沉声道，“华北战场已无法实现快速突破，我们必须调整部署，稳固现有占领区，再图后续进攻。”
北平前线，李辰收到忻口大捷的战报后，脸上露出了欣慰的笑容。他对着身边的参谋说道：“忻口一战，不仅重创了日军，更打破了委员长借刀杀人的图谋，让各地方势力看到了团结抗战的重要性。华北战事转入焦灼，对我们来说是好事，我们可以趁机加快新兵训练，为后续的反攻做准备。”
山西太原，阎老西举办了盛大的庆功宴。宴会上，韩复榘、杨虎城、汤恩博等人齐聚一堂，举杯共庆胜利。“此次忻口大捷，多亏了李辰将军的施压，多亏了汤军团长的及时支援，多亏了八路军的敌后袭扰！”阎老西端着酒杯，感慨道，“只要我们华夏儿女团结一致，就没有战胜不了的敌人！”
汤恩博也笑着说道：“阎长官过奖了。抗日救国，本是军人天职，后续若有需要，我第二十军团愿与各方友军再次并肩作战！”
而在陕北的八路军总部，将士们也在庆祝忻
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