哈尔兵团集结于宣化，其继续向南攻击山西的企图显而易见。只是，中国方面暂时还无法判断其作战方向和计划。日军进逼山西无非有两种可能：一是在冀西北部与晋东北部交界处的蔚县、广灵发动佯攻，主力沿平绥路西进攻取大同，切断中国军队山西与绥远间的联络；二是在晋东北的天镇方向实施佯攻，主力攻取广灵，切断中国军队山西与河北间的联络。然后，两路兵力即可协同向南直插山西的腹地。
中国军队第二战区制定了兼顾两种可能的作战计划：“本军以利用山地歼灭敌人之目的，以主力配置于天镇、阳高、广灵、灵丘、平型关各地区，以一部控制于大同、浑源、应县附近，以策应各方之战斗，相机转移攻势。”这个计划的要点是：无论日军的主攻方向在哪一边，都以局部的死守待援、东或西面的紧急增援，形成夹击日军的战场态势。
但是，令中国军队没有想到的是，东条英机指挥的察哈尔兵团和板垣征四郎指挥的第五师团，从攻击一开始就两路齐头并进，令第二战区无法判断出到底哪个方向是主攻。
九月三日，关东军察哈尔兵团独立混成第十五旅团，在旅团长筱原诚一郎的指挥下，自张家口以南的宣化方向出动，向驻守天镇的中国守军第六十一军发动了猛烈进攻。李服膺军长指挥的第六十一军，刚刚从柴沟堡方向南撤至天镇，各部队仓促间进行了部署，也是一线式的防御阵形：第二零零旅的四零零团据守天镇附近的盘山制高点；第一零一师占领盘山以北的罗家山、李家山以及沿平绥路两侧一直到北山瓦窑口一线的阵地；第二零零旅三九九团驻守天镇城防；第六十一军司令部以及四一四团驻守天镇西南方向的阳高县城；
日军显然把攻击重点放在了天镇外围唯一的制高点盘山。武器简陋的中国守军在察哈尔兵团凶悍的攻击面前几乎没有还手之力。日军重炮轰击和飞机轰炸持续不停，第六十一军简单的野战工事被反复摧毁，四零零团的高保庸营藏身的掩体被炸塌，一个营的官兵全部被压死在石洞里。日军步兵轮番冲锋，日夜猛扑，中国守军只能依靠弹坑掩护自己，用手榴弹和刺刀抵抗。后方的补给线和联络线被切断，弹药上不来，伤员下不去，支撑整整三天后，阎锡山下令再守三天。四零零团团长李润生请求增援，但李服膺军长手里没有预备队，四零零团伤亡了五百多人，其他各团也都伤亡在千人以上。最后时刻，李润生团长已无法控制部队，还活着的士兵纷纷后退。盘山失守。
盘山失守的这一天，日军第五师团于天镇以南的蔚县方向开始了突进，其第九旅团攻击广灵，第二十一旅团从广灵西面迂回。在这个方向防御的是刘汝明的第六十八军，该军竟然连日军的影子还没见到就擅自撤退致使防线如无人之境。汤恩伯急忙命令高桂滋的第十七军前往填补，高桂滋派出的一个团以急行军的速度赶往蔚县，距蔚县还有五里的时候得到消息：蔚县已被日军占领。
战事已起，阎锡山的判断是：日军的主攻方向是大同。于是他策划了一个“大同会战”的方案，即把日军主力引进大同以东的聚乐堡，那里有晋军已经建好的国防阵地，然后调动强大兵力从南北两面对日军实施夹击。为此，他给第六十一军军长李服膺下达了在天镇阻击日军的命令：只要能把日军迟滞在这一带，为调动部队争取到必要时间，“大同会战”计划就可以得到实施。只是，不知阎锡山是否清醒，能够迟滞日本关东军攻击的中国军队，至少在他的第二战区内不存在。
天镇外围制高点盘山失守后，日军直冲而下，除了天镇城中的三九九团外，城外第六十一军布防的部队均被冲垮。接着，日军兵分两路直插聚乐堡，为了增加追击力度，日军甚至动用了预备队。天镇尚在被包围中，身后的阳高城竟然也被日军攻陷了，李服膺军长只好带着司令部再向南撤退。防守阳高城的第六十一军四一四团在守城战斗中伤亡很大，团长白汝庸认为如果巷战持续下去，即使全团战至殆尽城池最后还是守不住（P2-5）