1937 年 9 月 2 日，休整完成后的东条英机察哈尔派遣军大举西进，沿着平绥铁路浩浩荡荡地直扑山西，天镇战役就此爆发。
日军方面，东条英机计划兵分三路进攻，夺取大同，扫荡整个平绥铁路西段，最终拿下包头，控制整条平绥铁路。以本多政材的独立第 2 混成旅团沿着平绥路向西，正面进攻天镇，拿下天镇后继续沿着铁路西进，夺取大同。以筱原诚一郎的独立第 15 混成旅团从北面绕开大同正面，迂回到大同西侧，向怀仁县发起进攻，切断大同守军的后路。以酒井镐次的独立第 1 混成旅团从张家口出发，向北进攻集宁，然后南下占领丰镇，掩护主力的右侧安全。同时，日军华北方面军也命令在宣化一带的板垣征四郎的第 5 师团夺取蔚县、阳原，继而进攻涞源，配合平汉线上的日军主力进攻保定。
面对日军的来势汹汹，阎锡山调兵遣将，严阵以待，决意与日军打一场大同会战。他根据自己战前对日军进攻路线的判断，决定放弃察哈尔省内的所有阵地和关隘，在天镇和聚乐堡一线布置大量兵力，蔚县、阳原之间险峻的山口全部没有派部队防守。
这是因为一方面察哈尔省原本就不是阎锡山的防区，它是刘汝明的防区，另一方面则是天镇、聚乐堡、东井集等地有国防工事可以依托。这些国防工事是在 1936 年的时候，国民政府依据国防大纲的计划，拨款给了阎锡山，让其在天镇、聚乐堡、东井集等地建设国防工事。阎锡山计划的是依托国防工事层层抵抗，消耗日军兵力，同时实行诱敌深入，将日军诱至大同外围，再集中兵力挫败日军进攻。除此之外，阎锡山命令绥远境内的部队趁着日军被诱至大同外围的时候反攻张家口，断敌退路。
阎锡山的计划也得到了国民政府的支持，于是调集兵力由阎锡山指挥，全力打好这场战役。
国军的兵力具体部署分为这么几个方面。在山西和绥远两省分界线附近，阎锡山计划部署以下军队：晋绥军第 61 军李服膺部第 101 师固守天镇县；马延守的独立第 7 旅布防于阳高县；豫军刘茂恩的第 15 军布防于蔚县；汤恩伯部以及高桂滋的第 17 军由汤恩伯指挥，布防于广灵县；晋绥军第 6 集团军所辖孙楚的第 33 军的章拯宇独立第 3 旅布防于灵丘县，刘奉滨第 72 师布防于广灵县；杨爱源第 34 军所部之梁鉴堂第 203 旅布防于阳原县东井集镇和浑源县；由陕北红军改编而成的第 18 集团军作为机动兵团部署于蔚县和涞源县一带。
在山西省和察哈尔省分界线以内，晋绥军第 6 集团军所部第 33 军孟宪吉之独立第 8 旅布防于忻州市繁峙县大营镇；第 34 军所部姜玉贞之第 196 旅布防于应县；第 34 军所部郭宗汾之第 71 师布防于山阴县岱岳镇；金宪章的新编第 2 师布防于繁峙县沙河镇；预备军第 19 军第 66 师所部陈庆华的独立第 1 旅布防于繁峙县横涧乡平型关村一带。
在大同方面，晋绥军第 61 军所部刘谭馥之第 200 旅布防于大同以东地区；预备军第 19 军所部方克猷之独立第 2 旅布防于大同，负责大同防御。
在绥远方向，晋绥军第 35 军所部王子修之新编第 6 旅布防于兴和县境内；安荣昌的新编第 5 旅布防于兴和县西南方向的丰镇县隆盛庄镇；赵承绶的骑兵第 1 军和董其武的第 218 旅布防于集宁县、察哈尔右翼中旗、商都县、尚义县和化德县等地；孙兰峰的第 211 旅与袁庆曾（绥远省国民兵总司令）指挥的国民兵 6 个团布防于绥远省归绥和大庙（锡拉木楞庙）、百灵庙一带；由绥西屯垦军组建的田树梅第 205 旅布防于丰镇县。
在大同以南地区，王靖国的第 19 军所部陈长捷之第 73 师布防于应县；杜春沂第 66 师所部段树华之第 209 旅控制朔州市怀仁县以北；杜堃第 215 旅布防于代县雁门关乡一带。
由以上部署可以看出，阎锡山对于这次大同会战寄予厚望，晋绥军可谓是精锐尽出，主力全部集结于此。此时的中国南方，中日两军在上海地区杀得昏天黑地，日月无光，血流成河，而在中国北方，全国的目光都聚焦到了山西，期待着阎锡山可以打败日军，守住山西。
然而，阎锡山的计划做得很好，但是由于不少军队都是刚参加完南口张家口战役，实力下降，还有部分军队需要时间集结队伍开赴战役位置，因此就需要一支部队阻击日军，为部队部署到位争取时间。
如此一来，压力就给到了负责防守天镇、阳高一带的李服膺第 61 军头上。为了有足够的时间部署大同会战，阎锡山电令第 61 军军长李服膺，务必固守三天，掩护大同会战。得到命令的李服膺深感压力巨大，但是他没有办法，只能硬着头皮上。
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