就在李宏向绥西、绥中大举出击的时候，罗广文在朔县和日军第35师团爆发了一场惨烈至极的空前血战。

日军第35师团自6月2日从河北集结出发后，立刻乘坐火车，沿平汉路北上，随后经平绥路到大同换车，再走同蒲路北段于6月9日抵达朔县外围。

此时，朔县已经被罗广文拿下，但由于城防工事损毁严重，于是罗广文将主战场摆在了朔县以东的神头镇。

6月10日拂晓，日军第35师团正式向预三师正面阵地发起猛攻，拉开了朔县之战的序幕。

预三师奋力抵抗，寸土不让，接连挫败日军多次进攻。

面对日军的强力进攻，罗广文并未一味的依托阵地被动抵抗，而是采取了攻守结合的战术。罗广文一面严令正面防守的部队死守阵地，一面组织兵力迂回至日军侧翼展开反击。

6月10日夜，预三师趁着日军白天猛攻阵地一天，人困马乏的时候，大举出击，从正面、南北两翼三面反攻，击退日军10里，摧毁日军火炮6门。

次日上午，恼羞成怒的日军再次卷土重来，集中火力猛攻正面的陈西河底阵地。

预三师七团死战不退，双方血战三日，均死伤惨重。

6月14日，日军以毒气弹开道，再次扑向陈西河底阵地。预三师七团猝不及防下，陈西河底阵地失守，上百名战士中毒身亡。

日军乘胜追击，继续向西进攻，然而却遭到了七团的反冲击，攻势为之一滞。

当天下午，预三师八团从北侧出击，七团在炮营火力支援下正面反攻，血战两个小时，再次夺回陈西河底阵地。

次日凌晨，为了报复日军的毒气弹，罗广文命令各团组织敢死队，再次对日军展开全面反击。在敢死队的冲击下，日军死伤惨重，阵地接连被突破，双方绞杀在一起。东西长达5公里的战线上，枪炮声震天动地，连绵不绝。

在激战中，日军的辎重联队遭到预三师炮营的猛烈炮击，辎重损失近半，其中随军携带的毒气弹半数以上被摧毁，毒死了不少日军。

战至上午十点，随着日军逐渐稳住阵脚，罗广文见占不到便宜，便主动撤退，下令部队退回陈西河底阵地。

此后，双方再次恢复胶着状态。

6月15日，日军骑兵第一旅团在包头以东中伏被围，危在旦夕。驻蒙军司令部急电第35师团，立刻脱离战场，向大同撤退集结，乘坐火车前往包头增援。

于是，在6月16日清晨，第35师团以飞机、大炮为掩护，发出了自战斗打响以来最强一击。

面对日军步坦协同、陆空一体的立体化进攻，预三师尽管抵抗十分英勇，但依旧不敌，损失惨重。战至下午三点，预三师正面阵地全线失守，被迫退守朔县县城。

16日夜，第35师团借着黑夜掩护悄悄撤离战场。

17日，正当罗广文打算依托城防，和第35师团决一死战时，却发现对手早已不见踪影。于是，罗广文立刻派出侦察兵向东侦察，这才得知日军已经连夜撤离。

经过一周的血战，预三师虽然成功守住了朔县，但付出的代价不可谓不惨重。经过统计，全师共计阵亡1971人，重伤705人，轻伤无法战斗的2392人。算上之前的伤亡，全师减员已经达到了5500人左右，元气大伤。

尽管预三师伤亡如此惨重，但是罗广文却并不打算就此撤兵，反而向卫戍司令部的罗大山请战，趁着晋北空虚的大好时机，收复失地。