从1937年10月开始，国民党军队在山西战场与日军进行了历时一个月的忻口会战。阎锡山为阻止日军攻占忻口。进而占领太原，抽调了八万余兵力，由国民党第十四集团军总司令卫立煌担任前敌总指挥，同日军作战。周恩来经中共中央批准，携带电台随阎锡山行动。在制定忻口战役作战计划时，周恩来应邀参加了商讨。阎锡山、卫立煌、傅作义等根据敌军三路进攻的态势，决心以忻口为必守阵地，把作战地区划分为左、中、右三个区域，主力集中在中地区，待部队调整后，中地区部队向代县、忻口之间的敌人出击；右地区部队向代县、平型关问侧击；左地区部队钳制进攻宁武之敌，以主力防守正面他区。周恩来经仔细考虑忻口地区的自然条件和兵力分布情况后，对作战计划提出了自己的建议。他主张在中地区，应以小部兵力钳制当面之敌，而以主力把敌军诱到代县、忻口一线，求得侧面出击，加以消灭；在右地区的部队要进行广泛的游击战争，以牵制日军；左地区兵力较弱，可向宁武南北游击，破坏和阻止敌军的前进计划。
为配合忻口会战，周恩来还提议组织正太、同蒲两线铁路员工和井陉、阳泉矿工破坏铁路和煤矿。这个方案得到了阎锡山、卫立煌、傅作义等人的一致称赞，也得到了毛泽东的同意。对八路军与国民党军队的配合问题，针对阎锡山、卫立煌提出调八路军129师参加忻口阵地战一事，他向阎等说明八路军在决战中不是主力，但在敌后游击战中将起决定作用，应该给129师独立自主的机会，使它迂回敌军后方，伺机打击敌人。他同时提出：调王震旅归还贺龙师建制以加强左翼，并与阎、卫等商定：为使参战部队统一指挥，右翼晋军十个团归朱德、彭德怀指挥。其中一些建议得到了阎锡山的采纳。
在战役进行过程中，周恩来及时地协调八路军配合国民党军队的行动。八路军在配合作战中取得了一系列胜利，如120师在10月18日袭击敌军交通线，一举摧毁日军运输汽车五百多辆，歼敌五百多人，并一度收复了宁武和雁门关，给进攻忻口的日军运输线造成很大困难。129师一部夜袭阳明堡机场。烧毁敌机二十四架，使急于夺取忻口的日军失去空中支援能力。115师在繁峙、蔚县、曲阳一带配合作战，收复了这些城镇和平型关等重要隘口，切断了日军通往张家口、北平的交通线。八路军的这些战绩受到忻口战役前敌总指挥卫立煌的高度赞扬。忻口会战结束后，他对周恩来说：“八路军把敌人几条后路都截断了，对我们忻口正面作战的军队帮了大忙。”“没有把129师调去打阵地战是做对了。阳明堡烧了敌人二十四架飞机，是战争历史上从来没有过的事情。我代表在忻口正面作战的将士对于八路军表示感谢，感谢！”
周恩来还向阎锡山一再建议：正面硬堵，不如用少数兵力钳制敌人，主力向东北出击，加强侧面部署，以阻止敌军突入，避免败绩。阎锡山表面上对周恩来的建议表示同意，实际指挥作战中却并未按照周恩来的建议进行。结果国民党军队虽然进行了英勇的抵抗。由于战役指挥上的失误，导致了国民党军队的接连失利。10月31日，阎锡山下令放弃忻口，全军后撤。11月8日，太原失守。忻口战役至此结束。忻口战役使国民党军队付出了伤亡5．5万人的代价，第九军军长郝梦龄在战斗中阵亡。
太原失陷后，周恩来赴往临汾，与阎锡山等人继续会商国民党军队与八路军共同坚持华北抗战问题。
这一时期，周恩来在鼓励阎锡山坚持抗战、协助其制定军事作战计划的同时，对其他国民党高级将领做了积极的团结工作。卫立煌是蒋介石嫡系中央军的一员得力战将，在大革命时期，周恩来任国民革命军第一军副党代表时，卫立煌是该军第三师的团长。在忻口战役开始前，周恩来向他介绍了共产党的抗日救国主张，并着重向他指出：“从整个战略战术来说，应当把主力用于侧面，采取迂回包围的战法，主动地打击敌人。就是在正面作战的军队，也不可使用消极单纯防御的战法。在防御当中，也要好好采取积极的‘反突击’”忻口、太原沦陷后，周恩来与卫立煌在临汾再次见面。卫对战局前途表示悲观：“山西这几仗没有打好，实在可惜。
现在许多地方被日军占去了，我们的军队损失惨重，没法反攻，而且日军一定要南下，恐怕晋南也保不住，最后只有依赖黄河天险来阻止敌人了。”对此，“周恩来用了较长时间列举了七八条理由，详细分析了坚持华北抗战的有利条件及其前途，（说明）即便敌人继续前进到风陵渡，我们也有办法在山西进行持久战，使日军无法结束战争……卫立煌仔细听了这些分析，觉得这些道理都讲得对，符合实际，大大鼓舞了他留在山西坚持华北抗战的决心”。周恩来与卫立煌多次倾心交谈，使后者在思想上发生了明显变化，以后他一直与八路军保持了较为友好的关系。
周恩来与傅作义的接触也较多。傅作义时任绥远省政府主席、第七集团军总司令，全面抗战爆发后，曾以绥远省主席名义致电阎锡山，请求回绥（远）守土抗战。阎不同意，要求他守卫山西。但阎锡山对他不放心，希望周恩来去见傅作义，疏通关系，请傅作义与晋军共同守卫山西。周恩来与傅作义在大同首次见面。他赞扬傅作义在长城抗战和绥东抗战中为国家做出了贡献，并诚恳地向他提出，抗击日本侵略者，不能单靠正规军，一定要把民众发动起来，武装起来，与正规军共同作战。徐向前后来回忆说：“恩来精力旺盛，思想敏捷，很善于谈判，讲话能打动人。傅作义对他很佩服。”忻口失守后，太原危在旦夕。国民党将领大都不愿坚守太原，傅作义毅然站出来说：“弃土莫如守土，太原城我守！”对傅作义的这一举动，周恩来表示赞赏，同时关切地说：“我愿代表中国共产党，还有全民族，诚恳地对你说一句话：抗日战争胜利的基础。在于广大人民群众之深厚的伟大力量。请你保重。”这番话使傅作义深为感动。回去后，他把周恩来的话向他的心腹复述了一遍，并要求把这番话记录下来。周恩来在撤离太原之前，再一次会晤傅作义，指出：抗日战争是持久战，在战略上不应计较一城一地之得失，要注意保存有生力量。这些谈话使“傅作义曾进行了认真的思考。认为应向中国共产党靠拢，团结抗战。同时深感过去老一套的战法已经不行，要学八路军的战略战术，学习八路军的优良作风，实行军民合作，发动民众，才能取得抗战的胜利”。
周恩来还会见了四川地方势力派代表人物邓锡侯。邓曾任四川省省长、二十八军军长等要职。全面抗战开始，请缨抗战。此时任第二十二集团军总司令，正率部在山西前线作战。阎锡山对这个外来者不管不顾，甚至连一张山西军用地图也不给邓。周恩来知道此事后，亲自给邓锡侯送来了八路军在平型关战役中缴获的日本军用地图，邓大为感动，说：“你雪中送炭，真是患难见知己啊！”由此，建立了中共与四川地方势力派的联系，为以后南方局加强与四川地方势力派的交往开辟了道路。
在协调八路军与国民党军队作战的同时，周恩来根据中共中央的指示，与阎锡山多次协商八路军活动区域，并说服他接受了八路军执行独立自主的作战原则。周恩来还到河北保定、石家庄，会见了在第一战区指挥作战的刘峙、徐永昌、程潜、冯治安等国民党高级将领，商谈八路军准备进入河北境内作战的问题。这对八路军三个师后来创建晋察冀、晋东南、晋西北、晋冀豫等根据地起了不可忽视的作用。
第二，指导统一战线组织战地总动员委员会的建立和牺盟会工作。周恩来到山西后，向阎锡山提出：“要保卫山西，保卫华北，就要动员广大群众，使抗战成为全面的全民的战争。山西已有牺牲救国同盟会等群众组织，更应扩大做动员工作。如果再不动员民众，军队就无法补充，作战将无人援助；民众武装将无法建立，强悍者将受敌人的屠杀，懦弱者将变为日本顺民，狡黠者将变为汉奸……我们如不愿意这样，只有毫不迟疑地教育民众、发动民众、组织民众、武装民众，起来共同担当起山西和华北的持久游击战”。周恩来还要求中共山西省公开工作委员会书记薄一波做阎的说服工作。经过商谈，阎锡山同意在察哈尔、绥远两省及晋北沦陷区成立在第二战区行营指挥下的民族革命战争战地总动员委员会（简称战动总会），任务是实施战争全面动员及组织游击战争。该会由中国共产党、八路军、晋察绥三省政府、战地各军及牺盟会等团体代表共同组成，中国共产党和八路军公开参加领导。
阎锡山指定周恩来为战动总会起草了《工作纲领》，经阎锡山同意后施行。纲领的核心内容是：一、积极组织、训练、武装民众；二、实行减租减息，合理负担，改善人民生活；三、实行民主政治等。战动总会是一个特殊的统一战线组织形式，说它“特殊”，就在于它是由共产党员参加领导的为阎锡山认可的统一战线形式。中共中央对这样一种统一战线形式给予了肯定。认为战动总会等一类统一组织可以使共产党“经过和国民党的这种共同行动，以达到国共两党的合作”。在战动总会的人事安排上，周恩来建议由老同盟会员、国民党左派人士续范亭担任战动总会常务委员会主任职务。在讨论各部部长安排时，周恩来坚持反对阎锡山派亲信担任人民武装部部长，提议由八路军代表程子华担任。他对阎说：“到战区和敌后主要是打游击的，你们的人员缺少这方面的经验，应由八路军方面的人员担任。”1937年9月20日，战动总会在太原成立，主任为国民党爱国将领续范亭，武装部部长为程子华，组织部长为南汉宸。
战动总会是一个具有统一战线性质的政权形式，如何开展工作？这是周恩来十分关心的问题。刚开始，中共中央北方局内部出现了急功近利的“左”的倾向：认为必须执行《抗日救国十大纲领》，否则就是汉奸；如果不执行中国共产党的一切方针，参加战动总会工作的干部就要辞职或者不去工作；要求公开打出共产党的旗帜参加山西政权，阎锡山如果不接受，就公开对他进行批评。周恩来在北方局会议上批评这种急躁冒进的情绪。他说，能否在晋绥以共产党名义参加政权，这必须取决于南京中央政府；现在八路军在第二战区即将成为政权的重要力量，以八路军的名义领导战动总会的工作最为适宜，便于使新的政权逐步取代旧的政权机关；共产党员个人参加这一工作的，在工作中必须力争我们主张的实现。而不是辞职；如果当局违背抗战方针，当然应该坚决反对，否则就应该协商进行；许多事还必须要积极地让阎锡山去做，争取其许诺的事情能够兑现；对事可以公开进行批评，但暂时不要进行点名批评人。在周恩来的指导和帮助下，北方局内部统一了认识。
战动总会是继牺盟会之后另一个由共产党人掌握的合法的具有统一战线性质的政权组织。它成立后，与牺盟会一起，对组织发动山西地区的抗战起了重要的作用，“当时我们党就是通过牺盟会、动委会到处建立党的组织，发动群众，组织群众”，“来实现党的抗日民族统一战线政策”。战动总会是加强抗日民族统一战线的一个重要措施，是一个重大的创举。通过这种形式，共产党加强了与国民党的合作，共同抗战。
随着抗战形势的发展，战动总会各级组织普遍在山西各地建立起来。由于中共山西省地方党组织领导人的急躁情绪没有完全克服，在思想上拒绝利用合法形式，只愿意单干，不愿与党外人士合作；在组织形式上，反对牺盟会和战动总会这些合法的统一战线形式，不愿意参加战动总会、牺盟会，处处想以八路军的面目出现；在工作方式上，不加分析，只要是晋军就骂，引起外界反感。对于友军和同盟者的真正错误，又不懂得批评，不知道如何纠正。阎锡山虽然同意设立战动总会，但始终对它存有戒心，特别是对八路军公开参加战动总会领导存有明显的戒心。他怕左派同共产党靠近，怕群众倾向共产党。山西地方党组织的做法更加深了阎锡山的戒备。因此，阎锡山由开始时持积极态度逐渐转向消极对待战动总会。山西地方党组织的这些过激的做法不仅会危及战动总会的存在和活动，而且有可能严重影响中共在山西与阎锡山的合作局面。
鉴于问题的严重性，周恩来于1937年10月14日致电洛甫、毛泽东、朱德、彭德怀，提出了推动山西局面发展的总体设想：从大局看，要推动阎锡山前进。在共产党方面，要以团结反对分裂，以信任反对挑拨，以争取合法反对取消。策略是：巩固左派，联合中派，孤立右派。具体办法是：凡是可为阎锡山接受的，尽量向他建议，由他出头去办，影响他周围的人，以改变其内部成分；战动总会的活动范围可暂时限定于指定县份，不必再求扩大；对广大民众的动员名义一律通过战动总会，要密切同牺盟会的合作；祛除阎锡山、梁化之等人的怀疑与恐惧，改变他们的一些不正确观念，以求得彼此的信任，推诚合作。毛泽东等人赞同周的看法。19日，他与洛甫回电：山西须坚持与阎合作，不参加任何倒阎阴谋；按照一定政治原则与阎及部下合作，对原则决不让步，对执行此原则的方法必须十分讲究，不可锋芒毕露，引起晋军分裂。
急躁冒进的做法对山西统一战线工作产生了较大的负面影响。太原失守前夕，阎锡山竟将派到战动总会工作的晋军人员全部撤去，企图使它失去统一战线的合法名义而自行解散。为此。周恩来告诉战动总会中共负责人程子华：“阎锡山撤走干部，要拆台，我们不要上当。战地动委会的组织形式还需要，我们要继续坚持下去。战地动委会顾名思义，就要活动在敌人占领的‘战地’，开展游击战争。他撤走干部也好，便于我们更好地发展。你们要放手发动群众，组织武装群众，扩大抗日武装，开展游击战争，创造抗日根据地。”由于周恩来和程子华等共产党人的影响，战动总会主任续范亭态度坚决，坚持战动总会的工作，支持打游击。续范亭和战动总会内共产党人亲密合作，并团结了国民党和阎锡山方面一些坚持打游击的人，共同斗争，使战动总会得以保存下去。太原失守后，战动总会深入晋西北，与八路军120师靠拢，摆脱了阎锡山的影响，继续在晋西北、雁北及绥远、察哈尔等地开展抗日动员、组织工作。
