1937 年 9 月 2 日，休整完成後的東條英機察哈爾派遣軍大舉西進，沿著平綏鐵路浩浩蕩蕩地直撲山西，天鎮戰役就此爆發。

日軍方面，東條英機計劃兵分三路進攻，奪取大同，掃蕩整個平綏鐵路西段，最終拿下包頭，控制整條平綏鐵路。以本多政材的獨立第 2 混成旅團沿著平綏路向西，正面進攻天鎮，拿下天鎮後繼續沿著鐵路西進，奪取大同。以篠原誠一郎的獨立第 15 混成旅團從北面繞開大同正面，迂迴到大同西側，向懷仁縣發起進攻，切斷大同守軍的後路。以酒井鎬次的獨立第 1 混成旅團從張家口出發，向北進攻集寧，然後南下佔領豐鎮，掩護主力的右側安全。同時，日軍華北方面軍也命令在宣化一帶的板垣徵四郎的第 5 師團奪取蔚縣、陽原，繼而進攻淶源，配合平漢線上的日軍主力進攻保定。

面對日軍的來勢洶洶，閻錫山調兵遣將，嚴陣以待，決意與日軍打一場大同會戰。他根據自已戰前對日軍進攻路線的判斷，決定放棄察哈爾省內的所有陣地和關隘，在天鎮和聚樂堡一線佈置大量兵力，蔚縣、陽原之間險峻的山口全部沒有派部隊防守。

這是因為一方面察哈爾省原本就不是閻錫山的防區，它是劉汝明的防區，另一方面則是天鎮、聚樂堡、東井集等地有國防工事可以依託。這些國防工事是在 1936 年的時候，國民政府依據國防大綱的計劃，撥款給了閻錫山，讓其在天鎮、聚樂堡、東井集等地建設國防工事。閻錫山計劃的是依託國防工事層層抵抗，消耗日軍兵力，同時實行誘敵深入，將日軍誘至大同外圍，再集中兵力挫敗日軍進攻。除此之外，閻錫山命令綏遠境內的部隊趁著日軍被誘至大同外圍的時候反攻張家口，斷敵退路。

閻錫山的計劃也得到了國民政府的支援，於是調集兵力由閻錫山指揮，全力打好這場戰役。

國軍的兵力具體部署分為這麼幾個方面。在山西和綏遠兩省分界線附近，閻錫山計劃部署以下軍隊：晉綏軍第 61 軍李服膺部第 101 師固守天鎮縣；馬延守的獨立第 7 旅佈防於陽高縣；豫軍劉茂恩的第 15 軍佈防於蔚縣；湯恩伯部以及高桂滋的第 17 軍由湯恩伯指揮，佈防於廣靈縣；晉綏軍第 6 集團軍所轄孫楚的第 33 軍的章拯宇獨立第 3 旅佈防於靈丘縣，劉奉濱第 72 師佈防於廣靈縣；楊愛源第 34 軍所部之梁鑑堂第 203 旅佈防於陽原縣東井集鎮和渾源縣；由陝北紅軍改編而成的第 18 集團軍作為機動兵團部署於蔚縣和淶源縣一帶。

在山西省和察哈爾省分界線以內，晉綏軍第 6 集團軍所部第 33 軍孟憲吉之獨立第 8 旅佈防於忻州市繁峙縣大營鎮；第 34 軍所部姜玉貞之第 196 旅佈防於應縣；第 34 軍所部郭宗汾之第 71 師佈防于山陰縣岱嶽鎮；金憲章的新編第 2 師佈防於繁峙縣沙河鎮；預備軍第 19 軍第 66 師所部陳慶華的獨立第 1 旅佈防於繁峙縣橫澗鄉平型關村一帶。

在大同方面，晉綏軍第 61 軍所部劉譚馥之第 200 旅佈防於大同以東地區；預備軍第 19 軍所部方克猷之獨立第 2 旅佈防於大同，負責大同防禦。

在綏遠方向，晉綏軍第 35 軍所部王子修之新編第 6 旅佈防於興和縣境內；安榮昌的新編第 5 旅佈防於興和縣西南方向的豐鎮縣隆盛莊鎮；趙承綬的騎兵第 1 軍和董其武的第 218 旅佈防於集寧縣、察哈爾右翼中旗、商都縣、尚義縣和化德縣等地；孫蘭峰的第 211 旅與袁慶曾（綏遠省國民兵總司令）指揮的國民兵 6 個團佈防於綏遠省歸綏和大廟（錫拉木楞廟）、百靈廟一帶；由綏西屯墾軍組建的田樹梅第 205 旅佈防於豐鎮縣。

在大同以南地區，王靖國的第 19 軍所部陳長捷之第 73 師佈防於應縣；杜春沂第 66 師所部段樹華之第 209 旅控制朔州市懷仁縣以北；杜堃第 215 旅佈防於代縣雁門關鄉一帶。

由以上部署可以看出，閻錫山對於這次大同會戰寄予厚望，晉綏軍可謂是精銳盡出，主力全部集結於此。此時的中國南方，中日兩軍在上海地區殺得昏天黑地，日月無光，血流成河，而在中國北方，全國的目光都聚焦到了山西，期待著閻錫山可以打敗日軍，守住山西。

然而，閻錫山的計劃做得很好，但是由於不少軍隊都是剛參加完南口張家口戰役，實力下降，還有部分軍隊需要時間集結隊伍開赴戰役位置，因此就需要一支部隊阻擊日軍，為部隊部署到位爭取時間。

如此一來，壓力就給到了負責防守天鎮、陽高一帶的李服膺第 61 軍頭上。為了有足夠的時間部署大同會戰，閻錫山電令第 61 軍軍長李服膺，務必固守三天，掩護大同會戰。得到命令的李服膺深感壓力巨大，但是他沒有辦法，只能硬著頭皮上。

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