8月21日，日本參謀本部決定再增派第16、第108、第109和第14師團到中國，以擴大華北戰場。24日，日本內閣會議通過了增兵動員令。31日，日軍“華北方麵軍”正式組成。寺內壽一任司令官，下轄第1、第2兩個軍及直屬部隊，共八個師團。連同關東軍察哈爾派遣兵團四個混成旅團及空炮兵部隊，華北日軍共約37萬人。
9月4日，“華北方麵軍”司令部作出部署：“方麵軍的目的在於以主力消滅保定、滄縣的敵人，迅速進入易縣、定興、霸縣、馬廠附近準備攻擊，同時以第5師團迅速進入蔚縣附近，準備對保定平原的作戰。”
第二戰區司令長官部判斷，日軍占領南口和張家口後，作戰行動有兩種可能：一是以一部兵力從蔚縣向廣靈佯攻，以主力沿平綏路西進，奪取大同，切斷守軍晉綏聯絡線；二是以一部兵力向天鎮實施牽製攻擊，以主力向廣靈進攻，截斷守軍雁門關後路。
估計第一種可能性大，即日軍主攻方向在天鎮、大同。因此采取了機動作戰方針：“本軍以利用山地殲滅敵人之目的，以主力配置於天鎮、陽高、廣靈、靈丘、平型關各地區，以一部控製於大同、渾源、應縣附近、以策應各方之戰鬥，相機轉移攻勢。”
具體部署為：第13軍湯恩伯所部第4、第89兩師因損失慘重，到安陽整補；其第94師開赴馬黃峪，歸衛立煌指揮。第68軍劉汝明部在蔚縣一帶依山作戰。第17軍高桂滋部於廣靈布防，該軍仍歸湯恩伯指揮。
晉綏軍各部：第6集團軍楊愛源部，負責防守靈丘、廣靈、大營、渾源、應縣、岱嶽、砂河之線。第7集團軍傅作義部，負責防守天鎮、陽高、大同、興和、盛莊、集寧、歸綏、豐鎮之線。司令長官部行營進駐雁門關南之嶺口。
9月6日，日軍第5師團即向蔚縣發起進攻，9日進至蔚縣附近地區。防守蔚縣的第68軍部未與進攻日軍接觸，即於9月10日擅自撤退。湯恩伯立即令第17軍高桂滋部從廣靈派一個團跑步到達蔚縣填防。該團於11日跑步到達距蔚縣七八裏時，日軍騎兵第5聯隊已進入蔚縣城。日軍第5師團完成了方麵軍所賦予的“迅速進入蔚縣附近”的任務。
關東軍“察哈爾派遣兵團”占領張家口後，即向天鎮方麵進攻。閻錫山判斷關東軍主力將分三路從興和、天鎮、東井集，進攻大同。他決定誘敵進入大同東麵聚樂堡“國防陣地”，集結強大兵團於南翼的渾源、東井集間和北翼的綏東豐鎮、興和間，發動南北鉗擊，並以騎兵集團向張家口挺進，實施“大同會戰”。
閻錫山命令李服膺第61軍在西灣堡、天鎮、陽高地區“堅守三天，拒敵西進”，以掩護聚樂堡、大同主陣地，誘敵至大同外圍，由傅作義第7集團軍和楊愛源第6集團軍而圍殲之。
第61軍僅有一個師和一個獨立旅，共七個團。軍長李服膺接令後，立即在該地區布防。
他將獨立200旅第400團部署在盤山製高點上；第101師三個團依次部署在盤山以北羅家山、李家山、鐵路兩側至北山瓦窯口一線；第399團負責天鎮城防；第401團駐守天鎮城外；第414團駐守天鎮以西30公裏的陽高縣城。軍司令部駐陽高縣城內。
這樣，第61軍構成了以盤山為主陣地，由四個團組成第一道防線，以天鎮、陽高兩城為縱深陣地的防線。
9月4日，日軍先以大炮對第101師第425團防守的李家山、羅家山陣地猛轟，再以步兵出擊佯攻，誘守軍進入陣地後，日機即低空投彈掃射，然後繼以大炮猛轟。如此反複，延續了四晝夜。日軍步兵並未與守軍直接交鋒，第425團1,300餘人即傷亡700多人，全團九個連長陣亡三人，受傷五人。
團長李在溪十分焦急，派人給軍長送去緊急戰報，要求派兵增援。軍長給李在溪來電話說：“你團情況十分危急，應該給你增調兵力，但目前實在抽不出部隊來，無論如何你要盡力支撐，不能放棄陣地。”旅長楊維垣即令李在溪團以全力反攻。第101師傷亡官兵千餘人，雖然殲敵不多，但穩住了陣地。
開戰以來，軍長李服膺在陽高城內坐臥不安，率幕僚與騎兵連進駐天鎮城西村莊，指揮作戰。三天過去了。雖部隊傷亡慘重，但主要陣地未失。李服膺總算鬆了口氣。但此時，他又接到閻錫山“續守三天，掩護大同會戰”的電令。李服膺隻得遵命，心想：如果不出意外，再守三天估計問題不大。天鎮是雁北門戶，這是日軍進攻山西第一仗，打好了也感到光彩。
日軍要占領天鎮，必先攻下天鎮東南的盤山。這裏由獨立第200旅第400團防守。幾天來，別的陣地都在激戰，本應首當其衝的盤山主陣地，卻不見日軍來攻。團長李生潤暗自得意：“此處山高地險，陣地絕無問題。”
9月6日，日軍在飛機大炮支持下向天鎮守軍發動全線攻擊。當天夜裏，大批日軍偷襲了盤山守軍陣地。第400團倉促應戰，極為狼狽。守衛主陣地的營長高寶庸被炸死在石洞裏。戰至拂曉，該團傷亡500多人，整個盤山陣地丟失。
盤山失守，形勢急轉直下。第101師三個團慌忙後撤，此時長官已掌握不住部隊，本應撤至天鎮附近繼續阻敵。他們卻繞開天鎮，從南北兩側繼續向西撤退。7日拂曉，守軍除天鎮城內第399團堅守城垣頑強阻擊敵人外，其餘全被日軍衝垮，向後撤退。
8日晨7時，六架日機轟炸陽高。同時日軍分南北兩路向鎮宏堡、聚樂堡一線追擊。混成第15旅團占領鎮宏堡，日軍主力向聚樂堡攻擊。10日，日軍圍攻陽高城。守軍第414團傷亡慘重，城被攻陷。第61軍軍長李服膺即率部撤退至聚樂堡以南，瓜園村休整。
第399團仍堅守天鎮，10日打退日軍兩次進攻。11日，日機大炮將天鎮城東北角擊毀。日軍乘勢猛衝，仍被守軍擊退。守軍苦戰數日，彈盡糧絕，殘部突圍。天鎮被日軍占領。
此時“大同會戰”已成為泡影。於是閻錫山下令：留一個旅在大同城附近依城野戰，兩個旅占領大同以西山地阻敵西進。其餘各部隊向大同以南、桑幹河南岸山地轉移。
這實際上是放棄大同的部署。13日，日軍獨立混成第1旅團未戰便進入晉北重鎮大同。
9月4日，“華北方麵軍”司令部作出部署：“方麵軍的目的在於以主力消滅保定、滄縣的敵人，迅速進入易縣、定興、霸縣、馬廠附近準備攻擊，同時以第5師團迅速進入蔚縣附近，準備對保定平原的作戰。”
第二戰區司令長官部判斷，日軍占領南口和張家口後，作戰行動有兩種可能：一是以一部兵力從蔚縣向廣靈佯攻，以主力沿平綏路西進，奪取大同，切斷守軍晉綏聯絡線；二是以一部兵力向天鎮實施牽製攻擊，以主力向廣靈進攻，截斷守軍雁門關後路。
估計第一種可能性大，即日軍主攻方向在天鎮、大同。因此采取了機動作戰方針：“本軍以利用山地殲滅敵人之目的，以主力配置於天鎮、陽高、廣靈、靈丘、平型關各地區，以一部控製於大同、渾源、應縣附近、以策應各方之戰鬥，相機轉移攻勢。”
具體部署為：第13軍湯恩伯所部第4、第89兩師因損失慘重，到安陽整補；其第94師開赴馬黃峪，歸衛立煌指揮。第68軍劉汝明部在蔚縣一帶依山作戰。第17軍高桂滋部於廣靈布防，該軍仍歸湯恩伯指揮。
晉綏軍各部：第6集團軍楊愛源部，負責防守靈丘、廣靈、大營、渾源、應縣、岱嶽、砂河之線。第7集團軍傅作義部，負責防守天鎮、陽高、大同、興和、盛莊、集寧、歸綏、豐鎮之線。司令長官部行營進駐雁門關南之嶺口。
9月6日，日軍第5師團即向蔚縣發起進攻，9日進至蔚縣附近地區。防守蔚縣的第68軍部未與進攻日軍接觸，即於9月10日擅自撤退。湯恩伯立即令第17軍高桂滋部從廣靈派一個團跑步到達蔚縣填防。該團於11日跑步到達距蔚縣七八裏時，日軍騎兵第5聯隊已進入蔚縣城。日軍第5師團完成了方麵軍所賦予的“迅速進入蔚縣附近”的任務。
關東軍“察哈爾派遣兵團”占領張家口後，即向天鎮方麵進攻。閻錫山判斷關東軍主力將分三路從興和、天鎮、東井集，進攻大同。他決定誘敵進入大同東麵聚樂堡“國防陣地”，集結強大兵團於南翼的渾源、東井集間和北翼的綏東豐鎮、興和間，發動南北鉗擊，並以騎兵集團向張家口挺進，實施“大同會戰”。
閻錫山命令李服膺第61軍在西灣堡、天鎮、陽高地區“堅守三天，拒敵西進”，以掩護聚樂堡、大同主陣地，誘敵至大同外圍，由傅作義第7集團軍和楊愛源第6集團軍而圍殲之。
第61軍僅有一個師和一個獨立旅，共七個團。軍長李服膺接令後，立即在該地區布防。
他將獨立200旅第400團部署在盤山製高點上；第101師三個團依次部署在盤山以北羅家山、李家山、鐵路兩側至北山瓦窯口一線；第399團負責天鎮城防；第401團駐守天鎮城外；第414團駐守天鎮以西30公裏的陽高縣城。軍司令部駐陽高縣城內。
這樣，第61軍構成了以盤山為主陣地，由四個團組成第一道防線，以天鎮、陽高兩城為縱深陣地的防線。
9月4日，日軍先以大炮對第101師第425團防守的李家山、羅家山陣地猛轟，再以步兵出擊佯攻，誘守軍進入陣地後，日機即低空投彈掃射，然後繼以大炮猛轟。如此反複，延續了四晝夜。日軍步兵並未與守軍直接交鋒，第425團1,300餘人即傷亡700多人，全團九個連長陣亡三人，受傷五人。
團長李在溪十分焦急，派人給軍長送去緊急戰報，要求派兵增援。軍長給李在溪來電話說：“你團情況十分危急，應該給你增調兵力，但目前實在抽不出部隊來，無論如何你要盡力支撐，不能放棄陣地。”旅長楊維垣即令李在溪團以全力反攻。第101師傷亡官兵千餘人，雖然殲敵不多，但穩住了陣地。
開戰以來，軍長李服膺在陽高城內坐臥不安，率幕僚與騎兵連進駐天鎮城西村莊，指揮作戰。三天過去了。雖部隊傷亡慘重，但主要陣地未失。李服膺總算鬆了口氣。但此時，他又接到閻錫山“續守三天，掩護大同會戰”的電令。李服膺隻得遵命，心想：如果不出意外，再守三天估計問題不大。天鎮是雁北門戶，這是日軍進攻山西第一仗，打好了也感到光彩。
日軍要占領天鎮，必先攻下天鎮東南的盤山。這裏由獨立第200旅第400團防守。幾天來，別的陣地都在激戰，本應首當其衝的盤山主陣地，卻不見日軍來攻。團長李生潤暗自得意：“此處山高地險，陣地絕無問題。”
9月6日，日軍在飛機大炮支持下向天鎮守軍發動全線攻擊。當天夜裏，大批日軍偷襲了盤山守軍陣地。第400團倉促應戰，極為狼狽。守衛主陣地的營長高寶庸被炸死在石洞裏。戰至拂曉，該團傷亡500多人，整個盤山陣地丟失。
盤山失守，形勢急轉直下。第101師三個團慌忙後撤，此時長官已掌握不住部隊，本應撤至天鎮附近繼續阻敵。他們卻繞開天鎮，從南北兩側繼續向西撤退。7日拂曉，守軍除天鎮城內第399團堅守城垣頑強阻擊敵人外，其餘全被日軍衝垮，向後撤退。
8日晨7時，六架日機轟炸陽高。同時日軍分南北兩路向鎮宏堡、聚樂堡一線追擊。混成第15旅團占領鎮宏堡，日軍主力向聚樂堡攻擊。10日，日軍圍攻陽高城。守軍第414團傷亡慘重，城被攻陷。第61軍軍長李服膺即率部撤退至聚樂堡以南，瓜園村休整。
第399團仍堅守天鎮，10日打退日軍兩次進攻。11日，日機大炮將天鎮城東北角擊毀。日軍乘勢猛衝，仍被守軍擊退。守軍苦戰數日，彈盡糧絕，殘部突圍。天鎮被日軍占領。
此時“大同會戰”已成為泡影。於是閻錫山下令：留一個旅在大同城附近依城野戰，兩個旅占領大同以西山地阻敵西進。其餘各部隊向大同以南、桑幹河南岸山地轉移。
這實際上是放棄大同的部署。13日，日軍獨立混成第1旅團未戰便進入晉北重鎮大同。