一带随时增援；以赵承绥骑兵军两个旅集结大同以北兴和一线；以傅作义第三十五军共九个团加两个骑兵旅一个山炮团一个野炮营集结东丰镇和北得胜堡地区作为北线兵团。以此三部作为十九军和六十一军的接应部队，协助阻击日军进攻。从南口突围出来的陈长捷第七十二师加上新编独立第四旅编成预备第一军由陈长捷任军长，集结在大同以南应县。孙楚第三十三军孟宪吉独立第八旅、章拯宇独立第三旅集结龙泉关、平型关之间也作为预备队。此两部为整个大同会战的总预备队。

这是晋绥军继1926年与国民军展开的大同保卫战后第二次大同保卫战。蒋介石对这次作战兴趣非常高，期望以善守闻名的晋绥军在日军进攻面前能够再次创造大同保卫战的胜利。

李服膺的六十一军把主战场选择在天镇，在天镇摆了六个团，高阳只有一个团，企图在天镇给日军以重大杀伤后。以王靖国十九军以及其他后继部队给予反击。李服膺统帅的六十一军，是由其抗战前率领的六十八师改编而成，是个正如当年被人戏为“小师加大旅”的“军”，兵力欠缺得很。其兵力不过一师多人。从敌我双方兵力上讲，守军李服膺的兵力与日军相差甚远。

李服膺接到阎锡山的命令是，“坚守三天，拒敌西进！”当时李服膺认为以自己一军之力坚守三天当不成问题，于是欣然领命。但是战斗一开始，李服膺便知道自己低估了日军的实力。这三天也不是那么好过的。

六十一军将士进入阵地的第二天，日军就发动了攻势。日军先用小股步兵冲到阵地前猛烈射击，试探火力，诱惑我守军部队主动暴露火力。如果是金钊，李龙这样和小鬼子的交过手的将领，必然一眼就看穿了小鬼子的诡计，但是六十一军将士，根本毫无对日作战经验，见日军来攻，纷纷开枪还击！以至于火力点完全暴露，这时小鬼子仓皇后撤。六十一军的将士们，一个个兴奋不已，认为小鬼子也不过如此，一打就跑，他们哪里知道，噩梦才刚刚开始。

很快天空中响起了马达轰鸣声，日军的战机到了。日军先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4、5次，持续4天4夜。最多时，一天竟有32架次日机在阵地上空狂扫滥炸。在双方士兵还未正式照面之前，我守军便在日军的猛烈炮火下损失惨重。

还好虽然在日军的轰炸下，六十一军损失惨重，但是日军步兵并没有发动全面进攻，李服膺轻松的熬过了前三天，但是这时却接到了阎锡山的电令，命令六十一军“续守3天，掩护大同会战。”李