1938年春，山西境内的中國軍隊為減少正面損失，将十數萬之衆的部隊分散于晉南地區，建立防禦工事，開展遊擊作戰，并堅持近3年時間。1940年11月，山西各條鐵路線上的硝煙漸漸散去，八路軍組織的百團大戰也進入了尾聲。這個秋天，幾十萬八路軍深深刺激了日寇的神經。
對于新一年的戰略，華北方面軍司令多田駿要求參謀們拿出一個方案來：是對付八路還是對付國軍？華北方面軍參謀部産生了兩種意見，鑒于百團大戰的沖擊，參謀第二課理所當然地認為，應該把作戰重點放在“剿共”方面。
誰知道這個方案遭到第一課的參謀極力反對，他們向多田駿報告，百團大戰爆發，晉中日軍告急，但因為中條山國軍十數萬人馬的牽制，日軍南線三個師團不敢抽調大部隊應援，進而導緻對付百團大戰的兵力捉襟見肘。
除此以外，日軍也非常清楚中條山的國軍是難啃的骨頭，從1938年春天開始，國軍就如釘子一般紮在中條山中，縱然經受12次圍攻，依然屹立不倒。遠的不說，1940年春天，日軍動員36、37、41三個師團3萬多人發動針對中條山的晉南作戰及鄉甯作戰，加上最後國軍在晉南的反擊作戰，前後曆時3個月，以日軍失敗告終，損失兵力5000人。
權衡兩份報告之後，多田駿決心已定，當侵華戰争進入到第四個年頭，華北方面軍的作戰重點就是拔除這根插在黃河北岸的釘子，“目前任務在于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。”日軍為此次作戰動員了包括第21、第33、第35、第36、第37、第41師團，以及獨立混成第4、第9、第16旅團在内的大批兵力。這些部隊總共42個大隊，其中35個大隊投入作戰。10萬日軍集結，超過1941年同期進行的任何一場戰役。
日軍的部署是中間開花，從一字長蛇式的中條山防線中路切開，直插中條山根據地的垣曲，并且突至黃河岸邊，将根據地一分為二各個擊破。具體部署以36師團，獨立混成第9旅團構築内包圍圈，37師團、41師團構築外包圍圈，将中條山西麓之國軍第五集團軍包圍殲滅。
國軍對這場迫在眉睫的入侵并非毫無知覺。1941年4月18日，何應欽在洛陽主持了晉南作戰第一次檢讨會，第五戰區司令長官李宗仁，以及中條山國軍各集團軍、軍部分師首長與會。會上何應欽強調了晉南三角地帶，也就是中條山地位的重要性。但會議對日軍卻有着極大誤判，他們認為“晉南之敵，似将逐次奪取我中條山各據點，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……”對比日軍的戰術，可以看出，從一開始國軍方面對對手的意圖雖有掌握，但對其戰法嚴重誤判，成為影響整個戰役成敗的關鍵。
中條山戰役是在1941年5月7日下午開始的，當日頭挂到西面山頭的時候，戰場西翼運城以東30公裡80軍與第3軍的結合部，突然遭到37師團右翼隊227聯隊的攻擊。晚上10時，第3軍第7師20團的陣地被突破了。
日軍三支挺進隊迅速向縱深發展，前鋒一直挺進到山脈分水嶺鞍部，此時不過8日淩晨1時。然後37師團左、中兩支挺進隊越過大山，開始向縱深穿插。夜間的穿插運動，讓國軍十分被動，7師師部所在地泗交鎮當夜遇襲，甚至唐回村駐紮的第3軍軍部也傳來警報。
8日中午時分，戰局已對國軍極其不利，日軍針對第五集團軍的雙重合圍已經伸出了四道鐵鉗。國軍各部都遭遇日軍，這便是日軍新戰法之功，挺進隊在中條山腹心地帶按照預定目标橫沖直撞，或捕捉國軍指揮機關，或占領戰略要點，以至于國軍無法相信日軍的神速還以為是空降部隊。日軍部隊打出了“山地閃電戰”，一天時間挺進20公裡。5月9日天亮之後，第五集團軍才奉尚在重慶的衛立煌之命派出兩個團前往黃河渡口五福澗，征集渡船，随後命各軍逐漸向渡口轉移，以圖渡河南撤。
但為時已晚，五福澗以北5公裡的兌山于這一天的中午時分，被37師團中央挺進隊占領，從五福澗過黃河南撤的路被封鎖了。與此同時，在馬村的集團軍總部與第3軍的聯系突然中斷。第五集團軍總司令曾萬鐘率領的集團軍總部在馬村遭遇日軍挺進隊突襲，負責守衛的特務營損失慘重，大小行李丢失，關鍵是無線電班失散，曾萬鐘失去了對部下的指揮聯絡。9日這天，80軍新編27師潰散，師長王竣、參謀長陳文杞戰死，副師長梁希賢跳河自殺，80軍作為具有作戰能力的機關已經不複存在。
此時唐淮源可以掌握的部隊隻有12師的兩個團，他有兩種選擇，一是按預案向敵後轉進，或者按照衛立煌指令向五福澗渡口靠攏。唐淮源選擇了後者，因為他還想去救出老上司曾萬鐘。唐淮源率領可以控制的12師殘部于第二天向東出擊，在溫峪一帶與前一天襲擊馬村總部的日軍遭遇，打了一天，34團團長張正書負傷，營長向國賢陣亡。沒能解救曾萬鐘，唐淮源反而遇險，他率領部隊邊打邊撤，好不容易在這天下午擺脫日軍糾纏，與公秉藩的34師會合，此時天空中飄起了雨。
也就在唐淮源所部奮力擺脫日軍之時，日軍37師團中央挺進隊與41師團大庭挺進隊在五福澗以東2公裡的高崖上聯絡成功，對第五集團軍的包圍圈徹底合攏了。向渡口突圍的企圖已經破滅，唐淮源可以掌握的部隊也已不多；而且一個更嚴重的問題正向他們襲來，因為部隊糧食補給是每日一次，此時已經打了4天，早已斷炊，可謂人困馬乏。
唐淮源
5月10日夜晚，中條山一片凄風冷雨，唐淮源隻得面對現實，他把第12師師長寸性奇、34師師長公秉藩以及第7師師長李世龍招到架桑鎮附近一座大廟裡開會，外面飄着雨，會場燈火昏暗，會上唐淮源下達了以團為機關分散突圍的指令。當師長們要離開時，唐淮源用他那濃厚的雲南口音說道：“中國軍隊隻有陣亡的軍師長，沒有被俘的軍師長，千萬不要由第3軍開其端。”第12師師長寸性奇以治軍嚴整著稱，他對部下說：“誠如軍長言，吾侪今日惟奮力殺敵耳！槍在手，劍在腰，不令為賊服也。濟則為國争光，不濟以死繼之。”
第二天晨，唐淮源與寸性奇一起先走東交口，被日軍阻擊，戰至日暮，又轉至河東村。夜幕降臨，雨下得越來越大，12師及34師殘部仍然奮力向東突圍，與日軍在徐家山與胡家峪一帶展開激戰，這個夜晚寸性奇負傷。
到了12日天亮的時候，唐淮源率領不多的部隊來到縣山，這裡還有一些第3軍殘部在戰鬥。連長王雅齋畢業于黃埔軍校第十六期，他率領全連打剩的三十多人就在縣山。開戰多日，王雅齋和他的弟兄們沒吃過一頓正經飯，餓了就撸一把樹葉填進嘴裡，見了死馬，就用刀割一塊肉吃。
王雅齋在縣山上守衛着自己的軍長，大概中午12點多鐘，王雅齋正率手下蹲在山頂，阻擊一道小溝内的日軍。他看到唐淮源在十幾米外的地方打着雨傘拿着望遠鏡瞭望，過了一會兒轉身進入小土廟。周圍槍聲不斷，日軍不斷向山頂發起攻擊，王雅齋再沒留意軍長。唐淮源屏退左右，獨自一人坐在廟裡，四周凄風冷雨，日軍正朝山頂步步緊逼，唐淮源拿筆寫下遺書，舉槍射向心髒，自殺殉國，時年55歲。
寸性奇
辎重營長金紹孔發現了唐淮源的遺書，上面寫道：“餘身受國恩，委于三軍重任，當今戰士傷亡殆盡，環境險惡，總軍兩部失去聯系，餘死後，望餘之總司令及參謀長收拾本軍殘局，繼續抗戰，餘死瞑目矣。”國民政府釋出褒揚令，将唐淮源生平事迹存備宣付史館，以彰英烈。
13日黎明，寸性奇與日軍在毛家灣遭遇，其左腿被炸斷。他一面要團長黃仙谷等突圍快走，一面留下遺言：“我腿已斷，不必管我；我決心殉國，以保全人格。”言畢，用最後的力氣拔劍自殺！第3軍作為一支建制部隊至此不複存在。
在西線殲滅第五集團軍的同時，十四集團軍也危在旦夕。但因為不是日軍重點打擊對象，各軍仍能尋到一些縫隙跳出包圍圈，損失并不如第五集團軍慘重。
日軍戰史把6月15日作為戰役結束之日，是日，中條山内已無成建制國軍。根據國府統計損失包括8個将軍在内的13751人，日軍宣布俘虜35000人，實際上國軍損失約7萬人。日軍宣稱戰死673人，負傷2292人。
這樣一場敗仗形成的原因也是多方面的。首先是敵人的強大，6個師團4個旅團，10萬之衆，是日軍進攻中條山十三次行動中兵力最雄厚的。另一方面國軍的備戰也十分不力。首先是調走強軍，在中條山支撐兩年、号稱中條山台柱子的第四集團軍孫蔚如部和川軍47軍。其次，中條山條件極其艱苦，方圓數百裡大山，出産貧瘠，根本養活不了十幾萬人馬。
國軍在部署方面輕視縱深陣地，戰略要點以及渡口的防禦，一點突破全盤崩潰。國軍的通訊也成大問題，在戰後總結中強調，第五集團軍司令部被日軍“斬首”後，與下屬通訊中斷，導緻嚴重後果。雖然戰敗，但國軍将士仍然湧現許多可歌可泣的事迹，多達8名将領戰死或自殺，特别是唐淮源軍長自殺殉國，展現了中國人甯死不屈的铮铮鐵骨。
中方稱為中條山戰役，日方稱為中原會戰以國軍慘敗告終。國軍在黃河以北最大一塊根據地不複存在，對戰局産生了深遠的影響。首先，千裡黃河防線北岸再無緩沖，完全暴露在日軍面前，3年之後，日軍得以毫無阻礙地渡過黃河發動豫湘桂戰役；其次，日軍華北方面軍沒有了後顧之憂，第二年，日軍展開“五一”大掃蕩，使八路軍遭受嚴重損失，直到1944年豫湘桂戰役發動，日軍主力調走才緩過勁來；最後一點，黃河以北大片領土再無國軍身影，也為共産黨八路軍發展力量騰出更大的空間。