8月21日，日本参谋本部决定再增派第16、第108、第109和第14师团到中国，以扩大华北战场。24日，日本内阁会议通过了增兵动员令。31日，日军“华北方面军”正式组成。寺内寿一任司令官，下辖第1、第2两个军及直属部队，共八个师团。连同关东军察哈尔派遣兵团四个混成旅团及空炮兵部队，华北日军共约37万人。
9月4日，“华北方面军”司令部作出部署：“方面军的目的在于以主力消灭保定、沧县的敌人，迅速进入易县、定兴、霸县、马厂附近准备攻击，同时以第5师团迅速进入蔚县附近，准备对保定平原的作战。”
第二战区司令长官部判断，日军占领南口和张家口后，作战行动有两种可能：一是以一部兵力从蔚县向广灵佯攻，以主力沿平绥路西进，夺取大同，切断守军晋绥联络线；二是以一部兵力向天镇实施牵制攻击，以主力向广灵进攻，截断守军雁门关后路。
估计第一种可能性大，即日军主攻方向在天镇、大同。因此采取了机动作战方针：“本军以利用山地歼灭敌人之目的，以主力配置于天镇、阳高、广灵、灵丘、平型关各地区，以一部控制于大同、浑源、应县附近、以策应各方之战斗，相机转移攻势。”
具体部署为：第13军汤恩伯所部第4、第89两师因损失惨重，到安阳整补；其第94师开赴马黄峪，归卫立煌指挥。第68军刘汝明部在蔚县一带依山作战。第17军高桂滋部于广灵布防，该军仍归汤恩伯指挥。
晋绥军各部：第6集团军杨爱源部，负责防守灵丘、广灵、大营、浑源、应县、岱岳、砂河之线。第7集团军傅作义部，负责防守天镇、阳高、大同、兴和、盛庄、集宁、归绥、丰镇之线。司令长官部行营进驻雁门关南之岭口。
9月6日，日军第5师团即向蔚县发起进攻，9日进至蔚县附近地区。防守蔚县的第68军部未与进攻日军接触，即于9月10日擅自撤退。汤恩伯立即令第17军高桂滋部从广灵派一个团跑步到达蔚县填防。该团于11日跑步到达距蔚县七八里时，日军骑兵第5联队已进入蔚县城。日军第5师团完成了方面军所赋予的“迅速进入蔚县附近”的任务。
关东军“察哈尔派遣兵团”占领张家口后，即向天镇方面进攻。阎锡山判断关东军主力将分三路从兴和、天镇、东井集，进攻大同。他决定诱敌进入大同东面聚乐堡“国防阵地”，集结强大兵团于南翼的浑源、东井集间和北翼的绥东丰镇、兴和间，发动南北钳击，并以骑兵集团向张家口挺进，实施“大同会战”。
阎锡山命令李服膺第61军在西湾堡、天镇、阳高地区“坚守三天，拒敌西进”，以掩护聚乐堡、大同主阵地，诱敌至大同外围，由傅作义第7集团军和杨爱源第6集团军而围歼之。
第61军仅有一个师和一个独立旅，共七个团。军长李服膺接令后，立即在该地区布防。
他将独立200旅第400团部署在盘山制高点上；第101师三个团依次部署在盘山以北罗家山、李家山、铁路两侧至北山瓦窑口一线；第399团负责天镇城防；第401团驻守天镇城外；第414团驻守天镇以西30公里的阳高县城。军司令部驻阳高县城内。
这样，第61军构成了以盘山为主阵地，由四个团组成第一道防线，以天镇、阳高两城为纵深阵地的防线。
9月4日，日军先以大炮对第101师第425团防守的李家山、罗家山阵地猛轰，再以步兵出击佯攻，诱守军进入阵地后，日机即低空投弹扫射，然后继以大炮猛轰。如此反复，延续了四昼夜。日军步兵并未与守军直接交锋，第425团1,300余人即伤亡700多人，全团九个连长阵亡三人，受伤五人。
团长李在溪十分焦急，派人给军长送去紧急战报，要求派兵增援。军长给李在溪来电话说：“你团情况十分危急，应该给你增调兵力，但目前实在抽不出部队来，无论如何你要尽力支撑，不能放弃阵地。”旅长杨维垣即令李在溪团以全力反攻。第101师伤亡官兵千余人，虽然歼敌不多，但稳住了阵地。
开战以来，军长李服膺在阳高城内坐卧不安，率幕僚与骑兵连进驻天镇城西村庄，指挥作战。三天过去了。虽部队伤亡惨重，但主要阵地未失。李服膺总算松了口气。但此时，他又接到阎锡山“续守三天，掩护大同会战”的电令。李服膺只得遵命，心想：如果不出意外，再守三天估计问题不大。天镇是雁北门户，这是日军进攻山西第一仗，打好了也感到光彩。
日军要占领天镇，必先攻下天镇东南的盘山。这里由独立第200旅第400团防守。几天来，别的阵地都在激战，本应首当其冲的盘山主阵地，却不见日军来攻。团长李生润暗自得意：“此处山高地险，阵地绝无问题。”
9月6日，日军在飞机大炮支持下向天镇守军发动全线攻击。当天夜里，大批日军偷袭了盘山守军阵地。第400团仓促应战，极为狼狈。守卫主阵地的营长高宝庸被炸死在石洞里。战至拂晓，该团伤亡500多人，整个盘山阵地丢失。
盘山失守，形势急转直下。第101师三个团慌忙后撤，此时长官已掌握不住部队，本应撤至天镇附近继续阻敌。他们却绕开天镇，从南北两侧继续向西撤退。7日拂晓，守军除天镇城内第399团坚守城垣顽强阻击敌人外，其余全被日军冲垮，向后撤退。
8日晨7时，六架日机轰炸阳高。同时日军分南北两路向镇宏堡、聚乐堡一线追击。混成第15旅团占领镇宏堡，日军主力向聚乐堡攻击。10日，日军围攻阳高城。守军第414团伤亡惨重，城被攻陷。第61军军长李服膺即率部撤退至聚乐堡以南，瓜园村休整。
第399团仍坚守天镇，10日打退日军两次进攻。11日，日机大炮将天镇城东北角击毁。日军乘势猛冲，仍被守军击退。守军苦战数日，弹尽粮绝，残部突围。天镇被日军占领。
此时“大同会战”已成为泡影。于是阎锡山下令：留一个旅在大同城附近依城野战，两个旅占领大同以西山地阻敌西进。其余各部队向大同以南、桑干河南岸山地转移。
这实际上是放弃大同的部署。13日，日军独立混成第1旅团未战便进入晋北重镇大同。