1941年5月6、7两日，日军航空兵首先发动攻击，轰炸西安、咸阳、潼关、郑州等地，7日晚，日军按计划以分割包围和向心攻击，向中条山发动了进攻。
西部方面，日军分由西桑池、横岭关附近向垣曲方向进攻。国民革命军守军协力抵抗，激战至8日晨，阵地被突破，日军于当晚攻占垣曲，中条山守军遂被分割为东西两部。日军分由夏县以北、以南向中条山西侧守军进攻，8日凌晨，张店镇附近阵地被突破。日军迅速向国民革命军守军后方渗入，9日晨进至五福涧。此时，与日军苦战两日的国民革命军第八十军第二十七师师长王竣、副师长梁希贤、参谋长陈文祀等均已壮烈牺牲。国民革命军第三军军长唐淮源因无法突围，于12日自杀，其第十二师师长寸性奇于15日阵亡。

东部方面，中条山东部是指河南省北部道（口）清（化）铁路西段的地区，在此方向担任进攻的日军是华北方面军直辖的第35师团（配属骑兵第4旅团）和第21师团。
守军是中国第一战区所属第9军。5月7日晚，日军第二十一师团及第三十五师团分别由沁阳、温县地区，在飞机、战车、火炮支援下开始向西突击，向防守东方正面的第九军进攻，8日8时，日军第35师团突破第54师阵地占领孟县，尔后与第21师团合击济源，激战至8日夜，日军攻占济源。国民革命军守军第九军退至封门口既设阵地，留一部在大岭头侧击日军。由于西路日军第四十一师团已于8日晚攻占垣曲，卫立煌因河防空虚，即令第九军主力由关阳渡口撤至黄河南岸担任河防，留一部兵力迟滞日军，掩护第14集团军后方。10日拂晓，第九军直属部队及第五十四师开始渡河，由于日军不断轰炸渡口及船只，渡河部队只能乘日军轰炸间隙抢渡，所以，直至当夜，方渡过黄河。

同日，日军由董封突破国民革命军守军第九十八军阵地，该军转移至横河镇东南地区。此时，左邻国民革命军守军第五集团军已陷于混战。11日，日军猛攻第47师阵地，渡口、船只已全被炸毁。第47师及新编第24师无法渡河，不得已退至王屋、邵源公路以北进行游击，并与第14集团军取得联系。当日，日军西路的独立混成第16旅团与东路的第35师团在邵源会合。
卫立煌下令第十四集团军主力向沁水、翼城公路以北转移，第十四集团军于12日夜开始北进，但被日军阻止，折还横河镇一带，仅有两个师到达沁水以北地区，其余，被阻于中条山区内。至此，中条山通南岸的黄河渡口全被日军封锁，日军随即北向横河镇突进，与第33师团夹击第14集团军。未及撤到黄河南岸的第9军部队则转移到道清路西段和济源以北山区开展游击战争。14日以后，日军一面封锁黄河各渡口，一面进攻中条山区内的中国军队，山区内的各部队损失惨重，乃化整为零，分头突围，向太岳、吕梁山区及黄河南岸转移。至28日，战况趋于沉寂，中条山会战结束。

中条山战役，使驻扎在这一地区内的国民革命军遭到惨重失败，共伤亡4.2万余人，被俘3.5万余人，而日军仅伤亡4000人左右。黄河以北的岳南和中条山区的主要城镇和交通要道，均被日伪军占领。
大规模行动告一段落之后，日军即在中条山区内反复搜索、扫荡残留的第一战区零散部队。直到6月15日，日军才宣布“中条山会战以赫赫战果胜利结束”。

但日军不可能扑灭中国人民的抗日力量。当第一战区的部队被肃清以后，第八路军的部队又逐渐深入中条山区，继续开展游击战争。日军“华北方面军”也不得不承认：“中条山会战以后，在新占据的地区内，以前的不安定势力即重庆军，被中共势力取而代之，逐渐浸透到各个方面，治安反而恶化了……作为蒋系中央军扰乱治安基地的中条山脉据点……实际上有名无实。拿它与共党系统相比，它的活动是极其差劲的……从此，华北的游击战便由中共军独占了。”

中条山是华北沦陷后中国正面战场在黄河以北所保有的惟一一块较大而突出的阵地，横跨晋南三角地区，是潼关、西安、洛阳和陇海路西段的天然屏障，扼华北、中原和西北的战略枢纽，与太行山、太岳山、吕梁山互为犄角，瞰制同蒲路和晋东南。第一战区在这里配置重兵，与敌后战场相靠拢、相呼应，进退有据，从战略上看是必要的、正确的。会战中数万名官兵流血牺牲，表现了爱国精神和民族正气。迫不得已时向敌后或黄河南岸转移的行动也应给予肯定。
本次会战是1937年11月太原保卫战之后日本对华北正面战场发动的仅有的一次大规模进攻。在此以前的3年多里，中条山区没有大的作战行动，中国军队本有充分时间进行战备，有良好地形可作依托，且可养精蓄锐，以逸待劳。而日军兵力有限，用于守备尚感不足，又刚刚经过八路军百团大战的打击，转而对八路军各根据地进行报复性“扫荡”，其部队更形疲惫；第33、第21师团刚由华中调来，特别是第33师团在上高会战之后尚未整补即仓促投入作战。
相对于日军来讲，中国军队的有利条件还是很多的。但从会战全过程来看，中国军队却处处被动挨打，毫无积极主动精神可言，有利条件荡然无存，甚至没有还手之力。这是为什么？第一战区在《会战要报》中列举了一些原因，诸如防广兵单，完全处于内线，形成被包围态势；万山崇崇，道路崎岖，交通困难，兵力机动和补给运输均感不便；无纵深兵力，也未控制机动兵团，一经接触，预备队即使用罄尽；武器装备落后，炮兵极度缺乏（日军拥有75毫米以上口径火炮500门，而中国军队平均每师只有1门），无力封锁山口道路，亦无力打破日军封锁。特别是日本空军威胁极大，交通线、渡河场、通信联络等均受其破坏与控制，且日军实施空降，打击中国军队纵深。作战第一天，师以上司令部多数被袭击阻击，致指挥通信时常中断。日军进攻中又大量使用毒气弹，使中国军队无法坚守，难以作长时间周旋。此外，各部队编制待遇不一律，饷糈显有丰窘，影响团结精神与作战意志者至深且大；官兵思想骄怠，警戒疏忽（晋南作战军因屡挫进犯之敌，每谓中条山有金汤之固，恃而无恐），为敌所乘，等等