日军在南口、居庸关地区遭到中国军队的坚强阻击，进展极为困难之际，为了华北会战进行顺利，日本参谋本部于八月二十一日决定再增派第十六、第一零八和第一零九师团到华北；二十四日，又将原来预定开赴东北的第十四师团也开赴华北。其中第十四、第十六师团为常备师团，第一零八、一零九师团为特设师团。

　　特设师团的兵源主要来源于三十多岁的由复员多年的官兵再征集组建的预备役兵。这些退伍老兵已拖家带口，不像年轻官兵那样愿意到靖国神社相会，战斗精神和战斗力都差些。当兵三年，再老实的人也得变得像魔鬼一样。年轻人进入这一染缸便难保纯良，老兵油子久历黑暗一面，肚子里的坏水和施暴花样自然会更多。因此，日本特设师团战斗力差，但是屠戮本性却不差。

　　至于这次增兵华北的原因，日本陆军大臣杉山元的理由是：迅速、彻底地给中国以沉重打击，以便早日使国民政府屈服、早日结束战争。

　　八月三十一日，日军大本营撤销中国驻屯军番号，编成华北方面军，以寺内寿一大将为司令官，辖第一军和第二军，直辖第五师团（师团长板垣征四郎）、第一零九师团（师团长山冈重厚）、第十一旅团（旅团长铃木重康）、临时航空兵团。第一军司令官香月清司中将，下辖第六师团（师团长长谷寿夫）、第十四师团（师团长土肥原贤二）、第二十师团（师团长川岸文三郎）。第二军司令官西尾寿造中将，下辖第十师团（师团长矶谷廉介）、第十六师团（师团长中岛今朝吾）、第一零八师团（师团长下元熊弥）。以上部队，加之特种部队及东条英机的关东军察哈尔兵团，兵力共计约三十七万。

　　担任华北地区防御任务的中国军队，为隶属第一、第二战区的部队。第一战区司令长官蒋中正，下辖宋哲元的第一集团军、刘峙的第二集团军、卫立煌的第十四集团军，辖区：平汉、津浦两铁路线。第二战区司令长官阎锡山，下辖杨爱源第六集团军、傅作义第七集团军及第八路军等部队，辖区：晋、察、绥。

　　南口战役后，板垣师团集结在怀来，东条兵团集结于宣化。

　　第二战区司令长官阎锡山最怕的就是日军入侵山西，阎锡山判断，日军若要进攻山西，其路线无非两条：一是从怀来、蔚县、广灵，经平型关而趋太原；一是从张家口、天镇、阳高、大同，经雁门关而趋太原。因此，阎锡山构筑了一个由西起商都、兴和、天镇、蔚县到涿县的半圆形防线，其目的都是阻击北面日军进入山西。

　　以有限兵力布防如此大区域，莫说防日军进犯，就是犯马贼都嫌不足。

　　寺内寿一，虽有贵族身份，却没有贵族外表：头重脚轻、五短身材。他的父亲寺内正毅，曾任陆相、首相，灭掉朝鲜的正是此人。二二六事变后，寺内寿一奉命整肃陆军。整肃陆军后，寺内寿一几乎一人独掌陆军的大权。

　　寺内寿一来华前与陆相杉山元告别，说道：“我去华目的，就为了尽快结束对华战争。”

　　寺内寿一抵达天津后，并于九月四日开始统帅日军作战，并作了方面军的作战部署：“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，同时以第五师团迅速进入蔚县附近，准备对保定平原的作战。”

　　此时，板垣的第五师团远在怀来。接到命令之后，板垣征四郎立即就明白了寺内寿一的目的：在中国第一、二战区接缝处撕开一道口子，横冲直撞，将中国军队整个防御体系冲溃。

　　正当由南口、张家口一线撤退下来的中国部队调整部署之际，板垣师团不惜战斗减员，不顾军需补充困难，于九月六日即向蔚县方面发起进攻。

　　蔚县是中国第一、第二两战区部队作战的分界线和枢纽。原定在此防御的刘汝明所部已奉命到津浦线方面，归于第一战区第一集团军，这里便形成了一个无兵防守的空隙地区。而预想已经从陕西关中地区出动东渡黄河的八路军进入这一地区参战还为时尚早。于是，阎锡山急电请求蒋介石派兵固守涞源，并要求刘汝明部待八路军到达接防以后再行转移归建。

　　九月九日，板垣即令中央纵队第九旅团攻击广灵附近的中国守军阵地，右纵队第二十一旅团从阳原附近向广灵之西实施迂回。见日军来犯，在蔚县担任防御的刘汝明部未与进攻的日军接触，即于十日撤退。汤恩伯立即令高桂滋第十七军从广灵派一个团跑步前往蔚县填防。该团于十一日跑步到达距蔚县七八里时，日军骑兵第五联队已进入蔚县县城。随后，板垣师团于十四日陷广灵，十六日取涞源。

　　河北涞源县位于太行山、燕山、恒山三山交汇处，向东直趋保定，向西进入山西境内——灵丘，从灵丘再向南，是内长城的一座关口，名叫平型关。

　　夺取涞源之后，板垣师团停止不进，左右瞻顾。

　　这个时候，第二战区司令长官阎锡山双眼紧盯着日军，盼望着，盼望着，盼望板垣师团向东。

　　就在板垣第五师团南下的同时，东条兵团亦以混成第二、第十五旅团等部在伪蒙骑兵九个师协同下，沿平绥路向西进攻。

　　阎锡山判断东条兵团将分三路从兴和、天镇、东井集进攻大同。

　　部属则认为敌可能沿平绥铁路继续西进，不会南下。

　　阎锡山叹道：“煤啊！日军就是冲着煤来的！”

　　阎锡山决定诱敌进入大同东面的聚乐堡国防阵地地区，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”，于是命令第六十一军在西湾堡、天镇、阳高地区阻止敌人前进，为其他军队集结创造时间。

　　李服膺正在天镇、阳高间负责警备。当他接到阎锡山命他天镇布防的电令后，立即集结本军人马，于八月下旬，进入天镇盘山阵地。

　　李服膺，山西崞县人，保定军校步兵科第五期毕业，早年从军跟随阎锡山。李统帅的第六十一军，是由其抗战前率领的第六十八师改编而成，被戏称为“小师加大旅”的军，下辖：第一零一师，李俊功任师长；第二零零旅，刘潭馥任旅长。

　　李服膺根据手中仅有的这点兵力，依山造势，构筑了以盘山阵地为主阵地的、由四个团的兵力组成的第一道防线，及以天镇、阳高为纵深防线的“T”字形防线。

　　六十一军将士进入阵地后发现，怎么找都找不到所谓的国防工事。李服膺着急地问阎长官：“国防工事在哪？”阎锡山心里有鬼，只好答道：“倚山构筑工事不迟嘛！”

　　第二天，即九月三日，日军独立混成第十五旅团一部就发动了攻势。起初，日军的主攻方向并不在盘山阵地，而在一零一师李家山、罗家山阵地。日军先用步兵冲到阵地前猛烈射击，试探火力，诱惑防守火力全部暴露后，即用飞机低空轮番轰炸，继而再用火炮猛烈轰山。每天如此轮番轰炸，持续四天四夜。最多时，一天竟有三十二架次敌机在阵地上空狂扫滥炸。

　　盘山位处天镇县城东南约八华里处，高峻险要，既可俯瞰平绥铁路，又是天镇县城的天然屏障。

　　正式发动攻势第一天，日军以绝对优势的步兵、炮兵猛攻盘山高地。第二天，全面展开攻击：天上是轮番轰炸的飞机，地上是呼啸齐发的排炮，还有在坦克掩护下冲杀的步兵。

　　六十一军进入天镇布防时，阎锡山曾电令李服膺“坚守三天，拒敌西进”。转眼三天已过，李又接阎电令“续守三天，掩护大同会战”。一闪，三天又过去了。此时，第六十一军前沿阵地设置的地雷、鹿砦等障碍已被日军全部轰毁，官兵们只能利用弹坑、禾束为掩体，用手榴弹还击。

　　四零零团官兵依靠简单的野战工事与强敌鏖战多日。日军深夜发动多路包剿盘山阵地。四零零团多次向军部告急，可是，李服膺已无多余兵力可调，只能令该团与阵地共存亡。

　　外围战吃紧时，李服膺命驻守天镇县城的三九九团务必固守城池七天，以配合阎锡山所谓的“大同会战”得以从容布防。团长张敬俊是位山东大汉，生就一股不怕死的虎劲。他虽然知道自己兵力和装备未必能与敌军相持七天，但毫不怯阵，接令后，他在全团官兵面前发誓：“就是和鬼子拼到最后一人，也要保证固守七天！”

　　就在日军调集三个联队包剿盘山主阵地的前三天，日军已用飞机、坦克及步兵对盘山主阵地以北各阵地发动了攻势，一方面在于孤立盘山主阵地，另一方面绕过盘山向纵深发展，迅速控制天镇—阳高大道。日军突破了盘山以北阵地的一角，并趋势向西追杀败退的中国守军。败退的中国守军分两路绕天镇县城南、北两侧，朝西后退。尾随的日军误以为天镇是座空城，也分兵两路从城池南、北两侧而过。日军后续部队则以为天镇城池已被攻陷，领头者趾高气扬地高举着太阳旗，后续者亦列队挺大步紧随。待日军前头部队高兴进至城脚根时，三九九团城外埋伏的士兵突然排枪齐发。

　　日军遭此意外打击，大为恼火，立即调动飞机、装甲车攻城，均未得逞。接着，又开来坦克，近距离用炮轰击城墙东北角，并接连发起冲锋，但每次均被守军打退。日军攻城的第三天，三九九团炮兵从观察镜里发现距城八华里的火车站上开进一列日军专车。就在日军下车整队之际，守军炮兵用两门平射炮连续高速猛击，使其死伤惨重。日军即于翌日用轰炸机向城内猛投炸弹、燃烧弹、瓦斯弹。顿时，天镇城内砖瓦飞进、烟火四起、毒气弥漫，百姓陷入一片混乱。

　　天镇县长和县公安局局长以到三九九团慰问为名，私下向张敬俊恳求说：“为让全城百姓免遭苦难，你们不要再守了！”张敬俊召集诸营长说：“我是军人，要尽军人天职。为使百姓免遭苦难，边普禾团附可把部队带走。我定要与城共存亡！”与会者闻言，齐喊：“团长，要死，咱们就死在一起!不管鬼子怎样疯狂，我们要坚决执行军令，守够李军长下达的七天任务。守够七天，咱们一起撤走。”

　　此后，日军又用云梯强攻数次，均被守军击退。守军还将活捉的日军砍首，把头颅高悬城上，以壮军威。攻守战的第七天深夜，三九九团借着夜幕，成功地撤出天镇城池。

　　九月十二日，日军进入天镇城，开始烧、杀、抢、奸，制造了惨绝人寰，骇人听闻的天镇“八•八”惨案。

　　那天是阴历八月初八，天刚亮，就听到从县城东北面传来大炮声，一会儿工夫，就见街上四处逃难的人们边跑边喊：“日本人来了，鬼子杀人了!”

　　日军从轰塌的城墙处入城，入城后，横冲直撞，三五成群，四处鸣枪，挨门逐户搜杀逃散和躲避的百姓。

　　从上午十时许，日军把抓到的老百姓，分别押往北门瓮城、霜神庙、马王庙、云金店前、东北城墙角、西城门窑洞等地，展开了一场骇人听闻的大屠杀，使一座古县城顿时变成了人间地狱。

　　马王庙分里外两进院落，里面的院子有一个长约二十五尺、宽度和深度都是十五尺左右的深坑，是晋绥军留下的防空掩体。日军把男人们分批押进里院，每批进七八个，一排端着亮晃晃的刺刀的士兵立在坑边，将刺刀捅进他们的背部，从胸前穿出，然后把尸体挑入深坑。后来他们嫌人们穿着衣服扎起来费劲，便逼着他们在进庙前脱光上衣，裸露出胸膛，以方便日本兵刺杀。

　　这个坑竟成了五百多名男女老幼葬身的坟墓。

　　在马王庙大屠杀的同时，云金店前的集体大屠杀也在进行。云金店位于城西门路南，店前是一片开阔的场地。日军从西南、西北两街道的小巷中，押出来三百多名成年男人，全都集中在这块空地上，然后用重机枪猛烈地向人群扫来，鲜血染红了半条街。

　　在北门瓮城，日军担心有人逃跑，把每个人的裤带解下，用裤带先把每个人两只手绑起来，再把两个人的手臂捆在一起，押往东北街的大操场。这些人的裤子全都耷拉在半腿，走得很慢。鬼子用燃烧的烟头烫一些人裸露在外面的下体，惨叫声四起，日本兵却哈哈大笑。

　　日军在天镇进行了三日大屠杀，两千三百余无辜群众死于非命。

　　屠戮之际，奸淫掳掠同时进行。

　　从这一天始，中国人叫唤日本人有一个新的叫法，“鬼子”！

　　日本人引以为豪的所谓“文明”，在这一刻回归到莽荒时代，甚至连畜生不如。

　　天镇惨案惊动了全国，也惊动了第二战区司令长官阎锡山，阎锡山实在无法向山西人民交代。

　　再说，李服膺率残部退至应县雁门关途中，突然收到阎锡山命他赴太和岭口参加军长级会议的电令。此时，李正准备召开第六十一军作战检讨会，总结教训，以利再战。收到电令后，他不得不立即去见阎锡山。行前，鉴于阎锡山为人阴沉诡诈，不知他如何评估天镇战役，有的部属劝李服膺还是不要急于去见阎锡山为好。傅作义也劝他不要急于离开部队去见阎锡山。因为傅已知道此时国内舆论对绥东、天镇战局的迅速溃败十分不满，在阎未明确表态前，急促见阎是危险的。但李服膺却认为自己没有做对不起长官和部队的事，还是坦然地从繁峙县的沙河起身赴太和岭口去了。一下汽车，几个宪兵就不由分说地把他扣押了。尔后，阎锡山宣布扣押他的罪名是由于他擅自撤防败逃。

　　李服膺被扣之后，大声喊自己无罪，要求见阎长官。

　　南口失守后，蒋介石就急电阎锡山说，他要派三十万大军进驻山西，协助晋绥军坚守山西。同时，蒋介石的中央军已奉命向山西分头进发。阎锡山见电，大为恐慌，立即给蒋复电说：“我决心用三十万晋绥军全力在大同与敌会战，御敌于门之外，以保疆域。胜则固无论矣，败则再请大军固守雁门。”

　　这便是阎锡山所谓“大同会战”的提出。

　　在此之前，阎锡山毫无“大同会战”的准备。此时，他只不过以“大同会战”作为拒绝蒋军入晋的挡箭牌而已。阎锡山为蒙骗蒋，在所谓“大同会战”上大做渲染，摆出一副认真准备会战的姿态。然而，私下里，他又对左右心腹吹风道：“蒋先生那样的军队，给山西来三十万，不用和日本人打，就把山西踏成土坪啦！与其那样，还不如当亡国奴省事些。”

　　当李服膺率军激战天镇的时候，阎锡山祈求与日妥协之心仍然未死。他秘密派密使到天镇前线与伪蒙军李守信的密使面晤，请求李守信为阎锡山与日军调和，企望日军绕开山西侵扰外省，让阎做一颗危石之下的完卵。这正是阎锡山严令李服膺两次坚守天镇三天的乖戾措置的历史真相。

　　当从天镇、阳高撤退下来的第六十一军残部向雁门大小石口转移之际，沿途不见一兵一卒援军。途经大同时，又见大同形如空城，丝毫没有会战迹象。身为军长的李服膺对此情况也大惑不解。

　　原来，阎锡山挡蒋之后，也曾令第二战区主力部队向大同一带集结，作万一与日军妥协不成便拼杀一下的准备。正巧此时，日军板垣师团攻占涞源后，有向西攻占灵丘之势，阎锡山认为日军主攻方向不在大同，而在平型关，因此，电令所部南撤。

　　至此，阎锡山的“大同会战”计划已成泡影，便下令各部队向大同以南、桑干河南岸的山地转移。阎锡山在下令部队转移时，仅留一个旅在大同城附近依城野战，二个旅占领大同以西山地阻敌西进。这实际上是一个放弃大同的部署，所以日军独立混成第一旅团于十三日未经战斗便进入晋北重镇大同。

　　大同失守，“大同会战”一枪不发，这无论如何是说不过去的。阎锡山要推卸责任，就要找替罪羊，这样，悲惨的命运就落到李服膺身上了。

　　板垣师团在灵丘虚晃一枪，就使得阎锡山放弃了晋北重镇大同，这个时候就连寺内寿一都不得不佩服板垣征四郎。

　　寺内寿一的实际意图是要夺取河北省会城市——保定。

　　而这早就被毛泽东猜到了，在提交给国民党国防会议《对国防问题的意见》中，毛泽东就认为：第二防线保定、大同、马厂、潍县等处，至太原、石门、沧州等处，仅能作第三防线。

　　一场围绕夺取河北省会城市保定的战役在平汉线、津浦线同时展开。