在抗战相持阶段，中日双方的主要作战特点是不再进行全局进攻或防守，而转向对局部地区的持续争夺。日本方面因其“速战速决”的战略目的落空，希望在局部地区给予中国军队重创，打击重庆国民政府的抗战决心。为此，日军提出“在1941年秋季之前，不放松对蒋的压迫。同时准备在夏秋之际，进行最后的积极作战”其积极作战的重点放在了中国军队坚守的晋南地区。
日军占据晋北和晋中之后，因晋南地区的多山崎岖地形，不敢贸然深入。同时也因为日军将重心放在快速渡过黄河深入河南，以完成对华北中国军队的战略包围，所以并未对晋南地区进行有效占领。这使晋南的中国军队作为华北地区唯一的正规军力量幸存下来。
进入相持阶段后，华北地区的形势和初期大不相同，国民政府控制了晋南，就把八路在晋察冀建立的大小敌后根据地和山东、河北的敌后游击区有机的联合在一起，不但造成河北和山西敌后武装斗争如火如荼，还造成日军在山东和河南占领区内的抗日活动此起彼伏。日军为了维持在华北的有效统治，就必须先拔除晋南中国军队这颗“眼中钉”。
中条山不但具有很高的战略价值并且易守难攻
晋南中国军队之所以能够和日军长久周旋，依靠的就是北接运城盆地、南临黄河的中条山脉。中条山西靠永济和陕西相望，东靠孟津扼守黄河渡口，战略位置十分重要。
中国军队掌握此地，向北影响晋中、向南俯瞰豫北，对整个华北的日军都有一定牵制作用。中条山沟壑纵横，关隘险阻很多，易守难攻，日军曾十三次试图扫荡中条山的中国军队，都因地理环境的限制无功而返。日军中国派遣军针对晋南地区特别提出：“蒋介石国民党军直系在华为的唯一残存为晋南地区，在1941年度应在夏秋季节给敌重大打击，特别期待在山西南部对中央军的一战。”
驻守晋南的中国军队原是西北军阀杨虎城的旧部，现编成第四集团军，属于中央军系卫立煌指挥下的第一战区。这支军队依托绵延170公里、纵广50多公里的中条山脉，将十多万人一线排开，分散配置。抗战时期中国军队经常做这样配置的原因，是避免重兵囤积使敌人有机会进行围歼。但日军方面明确指出：“敌军徒知以分散兵力配置宽广地域”，一旦一处受攻击则临时从附近抽调支援，在日军全面攻势下防线难免千疮百孔。进入相持阶段后，蒋介石陆续用战斗力较差但忠诚度较高的中央军第3军和第17军等中央系部队代替了经验丰富的第四集团军，更削弱了原本薄弱的防御能力。
地方军虽然不如中央军装备精良但对本地情况比较了解
为了彻底打败中条山中国军队，日军集结了抗战以来在华北最大的一支作战力量。包括有华北方面军下辖第1军全军，合计4个师团、3个独立旅团及军直属部队。此外还有方面军预备队第21师团、第35师团，以及配合华北方面军的第3飞行集团。合计兵力12万多人，战机150架以上，是抗战开始以来在局部战场上投入兵力最多的一次！
1941年4月5月期间，日军为组织中条山战役频繁在华北调动部队，引起了中国政府军事委员会的警觉。参谋总长何应钦视察第一战区后认为日军有可能对晋南发动一次大规模攻势，以求渡过黄河，威胁中国军队腹地。中条山一带中国军队7个军按此判断进行防御部署：第9军屯驻济源，第17军部署陕西绛县，第3军部署山西闻喜，第43军部署垣曲，另3个军部署于各军联络地带，其总体配置依旧是背靠黄河的一字长蛇阵阵型，一旦地理环境无法阻挡日军进攻，很容易造成全线崩溃的恶果。
原晋绥军系有较强炮兵火力但中条山恰恰不属于晋绥军防区
日军素来重视情报搜集工作。在战役开始之前，大量间谍和特务人员通过各种手段渗透到中条山中国军队防区，对中国军队的防御部署有了比较清楚的了解。日军认为中国军队在中条山东北的部署有较大纵深，在西线却纵深很浅，日军一旦在西线达成突破，可以从侧后快速前进，达成对中国军队的包围。日军也清醒的认识到中国军队“对战场的顺逆极为敏感，”“遇强者示弱，遇弱者则强”，如果日军集结强大兵力给予其重击，就会造成其斗志低沉。
日军正是按照东线佯攻、西线突破的方针展开中条山战役的。1941年5月7日，日军35师团、第21师团及骑兵共25000余人在东线猛攻孟县和济源，吸引中国军队注意力。在西线，日军第37师团、第36师团部分和独立第16旅团约25000余人向闻喜之中国军队第3军进攻。在中线，第41师团和第9独立旅团以30000多人的总兵力突破横岭关，向垣曲前进。同时以10000余人的兵力在阳城方向发动进攻以牵制中国军队。
日军如此安排攻击计划，目的就是在战斗力较弱的中国第3军身上寻求突破。第3军由战斗力较弱的165师和新兵组成的新编第27师担当防守主力。日军集中精锐部队，在九九式轻轰炸机的支援下向中国军队发起全线进攻。仅用一天时间就突破新编第27师防线，前锋部队开始陆续抢占黄河渡口。担心黄河渡口被夺取、后路被断的第3军将士竞相渡河，伤亡惨重，新编第27师师长等一批指挥官阵亡。日军突破防线后，马上从侧后突袭第3军军部和所属第7师师部。第3军军长唐淮源率军部被敌包围，被迫举枪自尽。第3军第12师师长寸性奇率军救援军长不成，受重伤后自尽殉国。
日军进攻前常使用九九式轻型轰炸机削弱中国军队抵抗强度
日军在西线打垮了第3军，相当于在中国军队一字长蛇阵里捅了个大窟窿。在西线溃败的同时，东线第9军经一天激战被当面日军第35师团击溃，失去了济源和孟县。第9军尝试在封门一线收拢败军组织第二道防线，但因实力不济，在10日再度被日军击溃。第一战区命令败退的第9军南渡黄河，在南岸重新组织防御。东线日军占领北岸各个渡口。主力从封门前进到邵源，与西线挺进日军成功会师，完成了对中条山地区的中国军队主力的包围。
日军之所以敢于大胆挺进到中国军队腹地，与其总结的中国军队特性有关。日军认为国民党的中央军虽然与杂牌军相比，作战较有条理，意志比较坚定，迫击炮、机枪和弹药等也较为充足，但和杂牌军一样擅于防守却不愿主动进攻。即使在防线被突破后发起反攻，也比较缺乏牺牲精神和协作能力。日军甚至注意到即使是军事委员会委员长蒋介石亲自发布的命令，前线将领执行时也多半有所保留。正是因为捕捉到了中国军队这个弱点，所以不仅东西两线日军在突破第一线后敢于深入突进。在中线的日军大队发起攻击时更加积极主动。
日军敢于大胆突进也和其使用100式司侦机进行严密侦察有关
中线日军进攻的是中国军队第14集团军和第5集团军的结合部。其战役目标是夺取横岭关到垣曲的大路，从而占领垣曲，将中条山区域的这两个集团军分割包围。驻守横岭关的第43军尽管据有地利之便，仍只抵抗了一天就被迫撤退。5月8日黄昏时，作为日军特别攻击部队投入作战的伞兵趁中国军队防御空虚时夺取了垣曲县城，夺取了中国军队用于运输粮食补给的主要渡口。 日军正式完成了对两个集团军的分割。此后中线日军兵分两路向东西方向攻击前进，并在11日和12日分别和东西线日军会师，完全封闭了对中国军队的包围圈。
到5月12日，中国军队的防御体系已经接近全线瓦解。在黄河北岸的几个主力军竞相退往黄河以南。留在黄河以北的部队只能坚守阵地各自为战。而日军则由第一阶段的分割包围转向第二阶段的歼灭战。这时中条山的主要县城和黄河各大渡口均落入日军之手，日军主力佯称准备渡黄河直取洛阳，其实暗中分为数路向北齐头并进，对包围圈中的中国军队进行歼灭，迫于日军缩小的包围圈和连续不断的攻击，包围圈中的中国军队各自寻找方向进行突围。第5集团军司令部率第3军和第15军未能撤退的部队寻机渡过黄河，转移到洛阳。第98军进入太岳山区，第43军辗转向翼城方向撤退，第9军在山地艰难支撑数日后，也伺机向南渡过黄河。至此，中国军队在中条山地区已经没有成建制部队活动，日军攻略中条山的战役目的已经达成。
在大陆战场日本伞兵被当作尖刀部队使用
日军在战后公报里宣称在持续一个月的中条山战役中，中国军队战死42000人，被俘35000人。国民政府军事委员会则承认伤亡失踪官兵13751名，这是一个缩小了的数字。台湾方面的官方史料承认中国军队伤亡在75000人以上。另方面，日军宣称仅战死670人、负伤2292人的数据又不免让人生疑。有很多战后的日军史料证明，在进攻中条山的崇山峻岭时日军各单位伤亡均不在少数。虽然国民政府宣称毙伤敌军9900人的战果显然是有所夸大。因但日军的真实伤亡数字显然比其公报中公布的数字要高。
但无论如何，这仍可被看作是二战中低技术战场的一次典型山地进攻作战。日军在面对固守广大山地的中国军队时，采用步兵、炮兵、空军联合作战的方式，东线佯攻诱敌注意，西线快速撕开防线进行包围。在作战中使用伞兵作为尖刀部队，快速抢占战略要点等战法，给予了中条山地区的中国军队以毁灭性打击。而中国军队方面，除了在广大地区分散兵力，不能在关键地点形成坚固防守之外，将久守晋南地区的第四集团军替换为对地形和环境都感陌生的中央军也是失败原因之一。中国军队忽视交通和后勤，在战役开始后一面从黄河北岸撤退人员器械，一面又要从南岸运粮到前线支援作战，导致黄河交通混乱，造成了撤退部队的巨大伤亡。种种迹象都显示出中国军队的作战素质有限，训练水平不高，想要取得抗日战争的最后胜利，还需要一段漫长的时间。