而此时至1937年8月中旬，中国陆军部队的部署已基本上就绪。第一战区方面，以津浦路北段为右地区，由第一集团军总司令宋哲元部防御，部署于静海、马厂、固安、霸县、雄县地区；以平汉路北段为左地区，由第二集团军总司令刘峙部防御，一部位于琉璃河、高碑店地区，主力位于房山、保定、徐水地区；第十四集团军总司令卫立煌部为第一机动兵团，位于北平以西地区，准备策应平绥路上昌平、南口的作战。
第二战区方面，以第三十五军、第十军军等部组成第七集团军，由傅作义任总司令，汤恩伯任总指挥，部署于察哈尔地区，阻击沿平绥路东段前进的日军。第六集团军总司令杨爱源部，位于晋北地区，防御平绥路西段；阎锡山自兼总预备军总司令，位于太原地区。
而由陕北工农红军改编而成的国民革命军第八路军(于9月12日改为第十八集团军，划归第二战区)也在总指挥朱德的领导之下为第二机动兵团，预定部署于蔚县、涞源一带，准备策应平绥路上宣化及万全方面的作战并负责袭击日军的后方。当时国民政府曾试图将八路军“分割”使用，而规定八路军以两个师由渭南上车经风陵渡、同蒲路到代县附近下车，开往蔚县一带集结。另外一个师沿陇海铁路转平汉铁路到河北徐水下车，开往冀东玉田、遵化一带开展游击战争。
但这种伎俩显然无法骗过时任**中央军委主席的**，他提出“红军为安全计，为荫蔽计，为满足晋绥渴望计，决走韩城渡河，在侯马上车到大同集中，再转至怀来、蔚县，决不走平汉路”，最终将八路军的3个主力师都放在山西，以便于统一领导，相互策应，避免因力量分散而遭遇不测。
而对于日军在华北方面的全线进逼，阎锡山的布署依旧是集结重兵于娘子关沿太行山经雁门关至偏关一线作单纯的防御准备。这一战略显然与此时提十万大军进入山西准备“剿共”的中央军将领陈诚的计划大相径庭。陈诚于7月23日曾向南京国民政府军政部阐明自己的意见，明确表示不同意阎锡山的布署，主张在察、绥方向配置强大机动兵力，在开战前主动出击，以图恢复察北，占领南口、独石口、张北之线。8月20日，南京国民政府大本营颁发作战指导方针，规定第2战区：“应以南口为旋回之轴，以万全、张北、康保等地方为外翼，则平津方面之敌，决不敢轻易南下”。但是由于日本关东军蒙疆兵团的迅猛攻势，张家口、南口都很快失陷，山西一线的战事最终还是按照阎锡山的计划演化成以保卫太原为核心的防御战。
山西素有“表里山河”的美称，东有太行山，西有吕梁山，西、南以黄河与内蒙古、陕西、河南等省区为界。因此只要扼守各关隘渡口便可自成关山险固，易守难攻。阎锡山之所以能在山西构建自己的“独立王国”，除了高超的政治手腕之外，山西的地形地势也令他获益非浅。“割据雄关，勿内诸侯，晋地可尽王也”正是借助着山西省境之上偏关、雁门关、娘子关等要隘。阎锡山一次又一次的将奉军、西北军和中央军挡在了山西境外，而对于不可一世的日本陆军，阎锡山自然打算如法炮制。晋军从1935年起，便开始在山西大规模构筑国防工事，从正太路的娘子关及以北的雁门关等各主要通道，构筑成有纵深配置的防御工事群，试图再度阻挡日军的铁蹄。更按照徐永昌的战略，在山西省内大规模造林，以树林为活长城，避飞机、挡坦克；同时修路以代沟垒。
但是在军阀混战所能行的通的手段在训练和装备当时都属于亚洲一流的日本陆军面前却并不适用。气焰嚣张的关东军蒙疆兵团在山西北方的右翼，全力抢攻山西北部平绥线的重镇大同，以进逼山西内长城防线。八月底，东条英机亲率关东军察哈尔兵团各部及伪蒙军两个骑兵师，从绥远东部猛攻晋北要隘天镇城。
天镇地处晋、察、绥三省边界交会点，西南六十多里是阳高县，再往后一百余里便是大同，而大同是同蒲铁路起点，若天镇一失，则山西门户大开，侵华日军南下可直接杀向太原。而此刻的晋军却准备不足，奉命增援的卫立煌第十四集团军和孙连仲第二十六路军遭日军层层阻击，又正赶上洋河水暴涨未得及时赶到南口。汤恩伯率第十三军八十九师独立难支，已经退守至居庸关内阵地。察哈尔省主席刘汝明率宋哲元第二十九军不战而退，省会张家口8月27日即告失守，还不如说是拱手放弃。离北平陷落不到一个月，硝烟就漫卷而来。在这种措手不及的情况下，阎锡山只好令晋军将领李服膺率领第六十一军先行坚守几天，同时急调傅作义第三十五军、王靖国第十九军、赵承绶骑兵第一军赶赴大同，以期在那一带与日军决战。
李服膺自号慕颜，也不算是等闲之辈。早年由阎锡山“钦点”送往保定陆军军官学校学习，和傅作义、李生达、陈长捷等人同属晋军“十三太保”之列。山西省主席赵戴文也爱其才干，收为义子。不过和大多数民**人一样，李服膺的私生活也是一塌糊涂。他在太原曾因一夜输掉十四万大洋而轰动省城，据说这个纪录一直保持到该币种退出流通无人能破。
但是凭心而论李服膺守天镇还是颇为尽力的，毕竟他个人的老家也在晋北，父老乡亲们都以李家出了个军长为荣，此战若败不仅关乎山西百姓生灵涂炭，而且对整个华北乃至中原战局都有影响。因此从1937年9月3日黎明到9月12日，晋军第六十一军的士兵仅凭单人散兵坑抗击日军的战机轰炸、坦克冲击和重炮轰击，各部均已伤亡过半，后方又没有预备队，战局最终难以扭转。天镇陷落，晋北屏障顿失。
天镇孤城鏖兵十天，在日军飞机，重炮和毒气弹的猛烈轰击之下，坦克和装甲车、骑兵轮番冲击。这座小小的城池可以屹然挺立这么久不能不说是个奇迹。即便是仅有一个团兵力驻守的阳高城也依托城寨坚守三天。天镇、阳高的失守，虽然令大同全线危急，但却也令东条英机的察哈尔派遣兵团陷入了晋军预设的“口袋阵”之中。事实上阎锡山有意与日军在晋北展开决战。利用李服膺所部的阻击为大军布署争取时间。诱使日本军队前进大同以东聚乐堡地区已设国防工事地带，集结强大兵团于南翼的浑源、东井集一线和北翼绥东的丰镇、兴和间，发动钳击；并以骑兵集团向张家口挺进。这个战略计划，得到蒋介石的欣赏。中央军又从皖北调来刘茂恩第十五军两个师（武庭麟的第六十四师和刘自兼的第六十五师）入晋，作为拉走汤恩伯三个师的补偿。
但这一宏伟的战略计划却最终归于流产，纠其原因首先是由于晋军投入正面阻击的兵力太少或难以阻挡住日本关东军的进攻。不用说编制不整的第六十一军共急七千多人很难守住天镇，就是原计划的“口袋底”在大同以东三十余里的聚乐堡一线组织防御的王靖国第十九军，都不堪一战。第十九军下属田树梅、杜坤、段树华所部的三个旅，共九个团，还附属有山炮团、野炮营以及一个重炮连。结果天镇、阳高相继失守之后，第十九军担任前卫任务的段树华所部在聚乐堡前方与日军前锋接触，接战两天夜，便损失不下两营的兵力。
当时第十九军主力尚未投入作战，王靖**长便鉴于段树华所部遭遇日军战机、重炮的严重杀伤，屡屡向阎锡山预作告急，要求尽早推进在应县的预备军，并电陈长捷所部准备应援；还不断要求傅作义把集结在丰镇的第三十五军权行南移大同，给他以直接支持。晋军“大同会战”的基础，顿时被天镇、阳高失守和王靖国不断要求增援搞得军心动摇了。
其次是晋军“口袋”张得太大。阎锡山为了大同决战投入的兵力不可谓不多。除了王靖国的第十九军之外，还有以赵承绶、门炳岳两个骑兵军组成集团骑兵，布署于兴和东北地区；第七十三师刘奉滨所部集结于广灵、灵邱东边境，警戒南北两翼军的活动；待机向察省张家口南北挺进。杨澄源第三十四军于东井集、浑源间集结。于绥东的丰镇和大同以北得胜堡地区，还集结有傅作义第三十五军孙兰峰第二—一旅、董其武第二一八旅和马延守独立第七旅，共计九个团，和两个绥远骑兵旅（石玉山等伪军反正的四个骑兵团），又一个山炮团，一个野炮营。
但是如此庞大的兵力部署在从绥远丰镇，山西大同，浑源，应县一直到察哈尔张家口这么大的范围内，都给协调指挥和兵力机动带来了重重障碍。况且很多参战的部队在山西复杂的地形限制之下，一时难以没到达预定位置。例如蒋介石从皖北调来的刘茂恩第十五军的两个师正从太原北上，第三十四军的姜玉贞旅还在晋南。
当然最为致命的一击还是九月十日板垣征四郎率领的日军第五师团在占领察哈尔省南部要地阳原、蔚县后，突然转向突破晋察省界，向山西重镇广灵发起进攻，在洗马店附近将担任警戒的第七十三师轻松打垮，师长刘奉滨力战负伤。这时晋军才开始发现日军主力所趋向的方面。第七十三师受敌主力猛攻，不得不向平型关方向转移。此时刘茂恩第十五军的先头尚未到达浑源县，在浑源北东井集地区集结的第三十四军，只有梁鉴堂一个旅。该旅既受天镇、阳高失陷的影响，侧背又受广灵方面的威胁。阎锡山当时在雁门关内岭口行营，对当时情况惶惑不安，但仍着眼在大同会战，只是打算将部分转向于浑源，以为应付。
但出乎意外的是，日本陆军第五师团竟选择孤军伸入，继续进攻广灵，一举将杨澄源第三十四军、刘茂恩第十五军都牵制在浑源、东井集之间，同时紧追溃败第七十三师，直捣灵邱。在此阎锡山才恍然答悟到：板垣征四郎是准备师团主力将循着其在一年前假借游历山西为名而亲事勘查的路线，进攻平型关，迂回包抄雁门关后方。