9月14日，大同攻防战进入了最激烈的阶段。苏军的第一批兵力就达到了25个师，但是此后并没有什么援军，只是增加了飞机轰炸的密度。在战斗开始的第二天，也就是9月9日，苏军已经在大同外围15公里半径形成了半包围，这座煤城与外界的联系只剩下南方的两条公路、一条铁路；9月10日，苏军坦克前锋已经攻入云岗，在世界著名的云岗石窟之下与中国守军展开激战。但是，由于苏军坦克和机械化兵力不足，加上中国增援力量非常雄厚，此后的三天并没有取得什么进展。在100多公里外的偏关朔州一线，苏军的辅助进攻部队同样没有占到什么便宜。
对于大同这样地势比较平坦的城市，最有效的手段是迂回进攻，切断它与太原、忻州的联系，但这对机械化部队的要求很高，苏军既没有足够的坦克完成迂回，也没有足够的摩托化步兵掩护坦克的侧翼。于是，苏联华北方面军的突击集团根本无法起到“突击”的作用，中国守军既没有被包围，也没有被分割，虽然外围据点纷纷丢失，但主力部队都撤了回来，准备迎接惨烈的巷战。在战争的前三个月，中**队经常死抱“不放弃一寸土地”的教条，把有限的兵力分散在漫长的防线上，与第一次世界大战时期的堑壕战战术没有本质的区别。这种所谓的“严防死守”战术的结果往往是被苏军以突击集团分割包围，各个击破，无法在各个据点之间有效的调动兵力。为了改变战争初期的窘境，中国最高统帅部于8月下旬发出了《关于执行积极防御作战的训令》，指出：“除了某些必须保守，对未来作战有深远意义的防御据点，如重要城市、重要交通枢纽和大型厂矿、海港之外，原则上应该以保存有生力量为主，不计较一城一地的得失……各个集团军群和集团军要抱定‘积极防御’的态度，当防御体系的瓦解已经无法挽回时，不应当一味催促防御部队做必败的努力，应为未来的防御作战和反攻做准备。”大同战役就是对这个训令的第一次实践。
虽然确定了“积极防御”的原则，但最高统帅部害怕各集团军群以此为幌子，一旦面临挫折就提前撤退，因此又规定了“必须严格保守的城市和交通线名单”，这些据点除非有最高统帅部的批准，否则谁也不能下令撤出。大同及其煤矿产区全部赫然列入这张名单，大同到太原的铁路也被列为必须保守的交通线。在苏军发动进攻之后，最高统帅部只允许撤出大同市中心20公里半径之外的防线，同时要求：“在援兵到位，并且对敌军取得一定优势之后，要立即投入反攻。本阶段决不考虑放弃大同。”
在战役开始之前，山西就是华北集团军群防御的重中之重，布置着2个历史悠久的混成集团军、1个装甲集团军和1个主要由新兵组成的预备队集团军；最高统帅部大本营预备队也有1个集团军部署在山西南部。大同防线主要由第2集团军守卫，这个集团军虽然没有装甲师，却有整个中国数一数二的摩托化步兵和自行火炮部队，在运动防御中可以发挥极大的优势。随着援军的不断到来，苏军攻势明显呈现停滞之势，前锋在大同的主要煤矿——晋华宫煤矿的围墙之外停留长达3天之久，无法前进一步。第2集团军的猛烈炮火遮断了大同以西的所有道路，苏军不得不从北面地势较开阔的地区发动进攻，结果当然是遭到惨重损失，按照苏联华北方面军的报告，“每天都有1个整编步兵师丧失战斗力，这主要是因为敌军防御火力充足，其次也是因为我军压制火力不足”。
事实上，苏军压制火力密度已经很大了，初期野战火炮密度约为每公里7080门，但随着战线拉长，交通状况恶化，从9月13日开始，只能达到每公里60门左右，而中**队的野战火炮密度可以达到每公里140180门，显然不在一个数量级。为了增加火炮密度，苏军必须从其他战线抽调炮兵师，而且向大同投入更强的后勤运输能力；奇怪的是，苏军对这两项似乎都不感冒，他们明知道现有的兵力不足以攻克大同，或者至少会打的十分艰难，却仍然不肯从河北或内蒙古的战线抽调兵力。对此，只有一个合理的解释，即大同不是苏军本阶段作战的重点，很可能只是一个幌子。
9月14日15日，苏军又向大同周边投入了2个师，其右翼已经迂回到大同西南35公里处，离大同太原铁路只有咫尺之遥；左翼的进展则缓慢的多，因为大同市区向东南方向横亘十多公里，快速突破几乎是不可能的。当然，苏军兵力最雄厚的还是中央部分，即从云岗到大同市区的20公里战线，集中了10个步兵师、2个炮兵师和1个机械化军，平均每1.5公里就有一个旅级以上作战单位，合称为“大同正面战役集群”。这个集群的计划是在大同市区与云岗之间形成突破，然后在云岗和晋华宫煤矿之间形成第二次突破，以摩托化部队突击到大同市区背后1520公里，形成分割包围之势，促使中国守军自行崩溃。然而，经过1415日的48小时激战，苏军没有再投入预备队，突破大同防线的目标一个也没有完成。大同防空部队指挥官报告说，他们观察到的苏军作战飞机数量正在不断减少，云岗地区以前每天要遭到400多架次轰炸，15日以后却骤然减少到200多架次，苏联空军的重点显然已经转移。
面对种种可疑的迹象，中国最高统帅部再次发生了激烈争吵，以总参谋长邢楠为首的一批陆军高级将领都认为，苏军下一步进攻的重点是西北地区，尤其是银川兰州一线，大同不过是正式进攻开始前的一个幌子。现在，苏军的战略资源明显已经抽调到西北方向，航空侦察也发现河套地区的苏军装甲部队明显增多，因此，中**队应该立即做出相应的调整，停止向大同附近增兵，将人力物力资源迅速转移到西北战线。然而，这个主张遭到了华北集团军群司令黄文德中将的强烈反对，他认为大同的危险远远没有结束，苏军决不会善罢甘休，“在北京、天津和大同同时受到苏军优势兵力压迫的情况下，从华北地区撤出一兵一卒都是危险的”。黄文德不但拒绝从自己的集团军群抽调出任何部队，也反对把最高统帅部大本营预备队调到西北，他坚持认为：“即使目前苏军对大同的进攻的确是佯攻，我们也不应削弱华北的防御力量，因为苏军进攻北京只是时间问题。华北战局一定会在今年冬天有一个了断。失去宁夏和甘肃，对中国来说不是什么心腹之患；但是一旦失去北京，我们就有可能输掉战争。”
此时担任西北集团军群司令的是参加过第一次世界大战的徐南生上将，他虽然资历很深，但一贯谨小慎微，在军队中的影响力很小，也无法为西北集团军群争取更多的资源。从8月中旬开始，他就不断向最高统帅部大本营打报告请求援军，可是实际抵达的援军却都是老弱病残和新兵，急需的装甲兵力至今没有调到。在最高统帅部紧急作战会议上，黄文德一再强调华北的重要性，成功的从国防部手中争取了一批崭新的预备队和重武器；徐南生却左支右绌，无法拿出什么有说服力的论据，结果一再被冷落。事实上，最高统帅部的每一个人都清楚，苏军肯定会在9月中下旬对西北发动进攻，而且进攻规模很大；但是，并不是每一个人都重视西北战场，也不是每一个人都对西北战场抱有信心。掌握最后决定权的陈卓群总统认为，目前的西北地区不是很适合防御作战，即使有足够的增援力量，也没有足够的时间组织防御。陈卓群不愿意把宝贵的兵力白白浪费在宁夏和甘肃，更不愿意把这两个省份白白扔给俄国人；两害相权取其轻，最高统帅部最后决定，从大本营预备队里再抽调1520个师增援西北集团军群，同时调拨一定数量的反坦克武器和防空武器，这就是西北集团军群得到的全部增援。
9月17日，大同守军欢呼雀跃地向华北集团军群司令部报告说，苏军已经在100多公里长的战线上开始撤退，左右两翼已经收了回来，正面炮火密度也进一步下降，看样子是要撤出大同了。但是，华北集团军群不敢相信这个情报——苏军虽然损失惨重，却还远远没有到需要撤退的地步，左右两翼的撤回可能只是一种战术调整，是为了保持更加紧密的队型，加强对大同正面的压力。9月18日，苏军停止了对晋华宫煤矿的攻击，已经进入市区开始巷战的部队也退出了巷战，整个大同战线呈现出奇特的静止状态，中**队也不敢主动发起反击，因为苏军还占据着人数优势和空中优势。为了摸清苏军下一步的走势，华北集团军群出动了200多架次侦察机对大同以北的交通枢纽进行侦察，却没有发现任何苏军撤退的迹象，重武器和装甲力量也没有调走。对此，华北集团军群做出的结论是：“敌人进入了一次短暂的休整。”