在製訂“大同會戰”計劃時，閻錫山還是比較樂觀的。他判斷，日軍下一步的行動無非有兩種可能：一是以一部兵力由蔚縣向廣靈行佯攻，以主力沿平綏路西進，奪取大同以圖切斷晉綏之聯絡線；二是以一部兵力向天鎮行牽製攻擊，以主力向廣靈進攻，企圖切斷我雁門關後路。
但這兩種情況，他更傾向於第一種，也就是日軍主攻方向在天鎮、大同。他打算實施機動的作戰方針，那就是——以主力配置於天鎮、陽高、廣靈、靈丘、平型關各地區，以一部控置於大同、渾源、應縣附近以策應各方之戰鬥，相機轉移攻勢……
他設想：如敵以主力進攻廣靈時，該處守兵應固守待援，以總預備隊主力應援該方麵之戰鬥……如敵主力進攻天鎮，天鎮守軍拚死待援，大同附近之總預備隊應向天鎮挺進，渾源附近兵力偷渡桑幹河向天鎮右翼實行側麵攻擊，以牽製敵人。俟其頓挫，由天鎮兩翼夾擊之。
這一計劃得到了蔣介石的批準和鼓勵，蔣介石還答應速派河南地方部隊劉茂恩的第15軍開往山西，歸閻錫山指揮。
具體作戰方案是：以李服膺第61軍在天鎮、陽高等地設防，占領既設的“國防工事”，阻止日軍西進，掩護聚樂堡、大同主陣地帶。其任務是沿平綏線節節抵抗，誘敵至大同外圍，由傅作義的第7集團軍和楊愛源的第6集團軍聚而殲之。
負責打頭炮的是李服膺。他的第61軍首當其衝，正麵迎敵，對整個防線舉足輕重。一切的關鍵在於，李服膺能盡最大限度頂住進攻天鎮、陽高的日軍，使主力部隊從容布防。
李服膺是在匆忙撤退的過程中接到閻錫山令他防守天鎮、陽高等地的命令的。第61軍名義上是一個軍，其實僅有一個師和一個獨立旅，共7個團。況且這點部隊在平綏線上同日軍已有所接觸，雖未大打，但仍受到一定損失。
對於天鎮、陽高等地的“國防工事”，第61軍的官兵十分熟悉，因為這些工事是一年來他們自己動手修築的——正因為比較熟悉，李服膺和他的部下才深知其中的利害。施工時，他們從太原隻領到很少的材料，鋼筋、洋灰不足計劃準數的1/10，民工工資、兵工津貼被閻錫山百般克扣。據說閻錫山用它在全國各商埠大做買賣。這種偷工減料做成的所謂國防工事能抵禦日軍的飛機大炮嗎？況且此時還有不少工事未完工，難以使用。有人發牢騷：“做國防工事，不給工具材料，一味克扣工資津貼，這明明是拿上肉彈頂鐵彈……”
不難設想，當李服膺接到閻錫山“堅守3天，拒敵西進”的命令時，表現出了一定的驚慌。但他信奉“咱不做閻先生不放心的事，不做對不起他的事”這一類的話。倉促中將獨立200旅第400團部署在盤山製高點上，第101師的3個團依次在盤山以北的羅家山、李家山、鐵路兩側至北山瓦窯口一線布防，第399團負責天鎮城防，第401團駐守在天鎮城外，第414團駐守天鎮以西約30公裏的陽高縣城。這樣，第61軍構成了以盤山為主陣地、由4個團組成第一道防線，以及以天鎮、陽高兩城為縱深防線的“T”字形防線。軍司令部駐於陽高縣城內。
據親曆過天鎮之戰的第101師第213旅旅長楊維垣回憶，戰前，李服膺曾親蒞一些部隊講話，號召官兵不怕犧牲，堅守陣地，軍部還印發了《告全軍官兵書》，部隊可以說士氣旺盛，鬥誌昂揚。
9月5日，即第61軍進入陣地的第二天，大批日軍尾追而至。開始日軍並未攻擊最為重要的陣地盤山，而是集中火力攻擊第101師第425團的李家山、羅家山陣地。團長李在溪注意到，日軍這次進攻，並不用慣用的步炮協同的戰術向他們衝擊，而是先以步兵湧至陣地前，誘使他們進入陣地後，敵飛機即低空投彈掃射，然後繼以猛烈炮火轟擊。如此反複，整整延續了4晝夜。敵步兵根本沒到他們團陣地直接衝鋒，他的1300餘名的團隊即傷亡官兵700多人，全團9個連長，陣亡3人，傷5人。
李在溪心中十分焦急，前後共給軍長李服膺送去18份緊急戰況報告——40多年後，李在溪回憶道，李服膺和他軍部的全體人員，驚慌失措，整天忙於鑽防空洞躲飛機，他的18份報告，被軍參謀長劉金聲裝入褲袋內睡了大覺。第4天的傍晚，李軍長和他通了電話，說：“你團的情況十分危急，應該給你增調兵力，但目前實在抽不出部隊來，無論如何你要盡力支撐，不能放棄陣地。”
然而，李在溪的直接上司、第101師213旅旅長楊維垣卻回憶說：“此時，軍長李服膺在陽高城內坐臥不安，率幕僚人員與直屬騎兵連進駐天鎮城西村莊，指揮作戰……綜計我101師傷亡官兵共達千餘名。遺憾的是，我旅425團團長李在溪，自始對抗戰抱悲觀消極態度，在陣前竟越過師、旅長，多次徑電軍長請病假辭職。軍長知他無病，複電責以大義，指示他勉為其難……該團程琮營被敵人突破一處，全團潰退下來。我嚴令該團立即反攻，雖未完全恢複原陣地，總算穩住陣腳，全線未受嚴重影響……”
可以肯定地說，最初的戰鬥是激烈的。3天過去了，第一線的部隊雖殲敵不多，但傷亡十分慘重，工事悉數被毀。所幸的是主要陣地並未丟失。李服膺在陽高城他的指揮部裏，總算舒了口氣。然而，這時候，他又接到了閻錫山“續守三天，掩護大同會戰”的電令。閻錫山的命令他自然不敢違抗，隻好強打精神督促部隊全力堅守，一俟完成任務馬上撤退。
如果不出意外，再堅守3天估計問題不大。天鎮是雁北地區的門戶，此仗是日本進攻山西的第一仗，如果打好了，誰的臉上都感到光彩。
然而，意外的情況還是發生了。
意外的情況就出在防守盤山的第400團身上。
盤山位於天鎮東南約4公裏的地方，是一座高峻險要的山峰，也是天鎮的名勝。站在山頂，既可以俯瞰平綏鐵路，又能屏障天鎮全城。按說日軍要占領天鎮，必先攻下盤山。
第400團的團長叫李生潤。幾天來，別處都打得很激烈，本來應該首當其衝的盤山主陣地，卻不見日軍來攻。他有些暗暗得意。大約在9月8日的傍晚，李生潤給第425團團長李在溪打電話，說：“團長（李生潤曾當過李在溪的團副），這幾天你們陣地上很危險吧？我在望遠鏡裏看到了。軍長既無法抽調部隊，我私自抽一個營支援你，如何？”李在溪說：“這怎麼能行呢，抽調兵力要請上級決定，況且你那裏是主陣地，關係重大，千萬不要麻痹大意……你那裏情況怎樣？”“我是高枕而臥，陣地絕無問題。”李在溪囑咐他要提高警惕，決不可輕敵。李生潤好像滿不在乎地說：“老團長，請放心，我隨時注意著哩！”
就在這天夜裏，大批日軍乘夜色偷襲了盤山陣地。400團倉促應戰，極為狼狽。守衛主陣地的營長高寶庸被炸死在石洞內。至拂曉時分，該團在付出500多人的性命後，將整個盤山丟失。
盤山一丟，形勢急轉直下。第101師的3個團慌忙後撤，此時這3個團的長官已經掌握不住部隊，殘兵本應退往夫鎮城繼續阻敵，他們卻繞開天鎮，從南北兩側繼續向西潰退。
這給了守衛天鎮城的第399團一個殲敵的機會——尾追的日軍誤以為天鎮是座空城，便高舉太陽旗，列隊進城。大約有近百個鬼子，被潛伏在城內各處的第399團擊斃。團長張敬俊估計日軍遭此意外打擊，必將前來報複，他命令將被擊斃日軍的腦袋砍下來，高掛城頭，激勵士氣，以壯軍威。
果然，不一會兒，日軍的飛機大炮便對天鎮城實施了淩厲的攻擊，步兵發起一輪又一輪衝鋒，第399團堅守一天一夜後，於9月10日退出天鎮。