井集間；以傅作義第35軍（3個旅共計9個團的兵力）及綏遠的兩個騎兵旅、附一個山炮團、一個野炮營為北兵團，以傅作義為指揮，集結於豐鎮、得勝口等地待機。俟敵被誘至聚樂堡主陣地時，南北兩軍立即發動箝擊，合擊敵於該地區。
陳長捷第72師和新編獨立第4旅於鎮河部，編為預備兵團，由閻錫山直接掌握。
此外，以騎兵集團軍趙承綬、門炳嶽部設防於綏東的興和東北地區；劉奉濱第73師佈置在廣靈以北的火燒嶺——洗馬溝一線，擔任警戒。孟憲吉獨立第8旅設防於雁門關上；章拯宇獨立第3旅部署在五臺、龍泉關間。
閻錫山對自己的作戰部署很自信，認為萬無一失。
然而，戰爭的發展是出其預料的。日本關東軍察哈爾派遣兵團，除在偽蒙軍的配合下，繼續沿平綏路西進，其先頭部隊獨立混成第15旅團推進至柴溝堡，直指天鎮外，又兵分三路向南向西挺進：一部由張家口趨興和，以圖集寧；一部自懷安逼陽原，進攻渾源；一部從懷來撲蔚縣，直插廣靈。三路大軍分進合擊，對大同乃至晉北形成了包圍之勢。
天鎮是雁北東部的門戶、大同的前哨，自然是日軍進攻的首要目標。
閻錫山為部署“大同會戰”，電令李服膺率部固守天鎮以東盤山迄北山之線和天鎮城3天以上。
李服膺奉命後，一面親蒞部隊講話，印發告全軍官兵書，進行戰前動員；一面進行緊急部署。由於對敵情、任務估計不夠充分，倉促中作出一線式消極防禦部署：以獨立200旅之400團佔據盤山制高點，固守尚未竣工的國防工事陣地；以第101師佔領盤山以北羅家山、李家寨、鐵路西側迄北山瓦窯口之線陣地；獨立200旅之第399團駐守天鎮城防工事。由李俊功率第201旅及401團駐於天鎮城內，負責指揮全線作戰。李服膺本人率軍司令部，坐鎮陽高城內，統一指揮作戰。
9月2日，日關東軍右路主力混成第15旅團於晚間乘火車抵達天鎮縣東陲永嘉堡，左路主力混成第2旅團沿懷安——天鎮大道進至天鎮縣境的史家窯一帶。至此，日軍已入山西境內。
9月3日，日軍混成第15旅團先鋒部隊1500餘人，攜野跑20多門，向晉綏軍第213旅425團（團長李在溪）駐守的磚窯村前沿陣地進攻。守軍與敵血戰竟日，傷亡500餘名，斃傷日軍300餘人，始終控制著陣地。
次日，日軍左右兩路聯合，向天鎮發動大規模的進攻，地空配合，集中兵力猛攻李家寨、羅家山一線主陣地。這次，日軍進攻的戰術有所改變，並不用步炮協同的戰術衝鋒，而是先以步兵湧至我陣地前沿，猛烈射擊，誘我守軍全部進入陣地後，先以飛機低空轟炸和掃射，繼之以炮火猛烈轟擊，如是輪番數次，守軍構築的工事被夷為平地。然守軍依然奮力抵抗，雖傷亡數百，但主陣地仍掌握在我手中。
9月5日，日軍出動飛機30架，坦克、裝甲車50餘輛，步、騎兵3000餘人，猛撲天鎮主陣地——盤山。
盤山，位於天鎮東南約8華里，山峰高俊險要，既可俯瞰平綏鐵路，又能屏障天鎮城。守軍奮勇抵抗，激戰終夜，衝鋒4次，與敵肉搏，戰況至為激烈。李服膺在陽高城內坐臥不安，急率幕僚人員與直屬騎兵連進駐天鎮城西村莊，指揮作戰。 電子書 分享網站
一、整軍抗戰（16）
閻錫山為防止日軍迂迴西進大同，急忙調第19軍在豐稔山、聚樂堡一帶緊急佈防，聲援天鎮。同時，他致電蔣介石：“此次決戰無論勝敗，敵我雙方均應是極大損失。鈞座對積極方面，收復察、平，或增兵固守晉綏，俟敵再度來攻；或消極固守山西，均應早有打算”。蔣介石次日回電道：“敵攻大同時，當由平漢、津浦兩方面令衛（立煌）部同時反攻策應，以收復平津及察省也”。
9月6日，日軍再攻盤山、周家山，除空軍輪番轟炸外，竟施放毒氣彈。守軍與敵拼死鏖戰，多數殉國，仍堅守陣地。日軍於是改變戰術，乘夜間猛攻據守盤山制高點的第400團，先以密集的優勢火力猛轟，繼之以步兵猛衝到我陣前，雙方展開肉搏血戰。激戰中第400團營長高保庸犧牲，全團官兵傷亡達500餘人，損失慘重。終因寡不敵眾，彈盡糧絕，團長李生潤請求增援，但師、旅部均無兵可派，盤山陣地於次日遂告失守，日軍兵臨天鎮城下。李服膺率殘部退往王千戶嶺，天鎮城僅留第399團固守。
9月8日，日軍開始攻城。驕橫的日軍先派10多人的小隊，列隊到東城門而來，被我派到