爱华网在制订“大同会战”计划时，阎锡山还是比较乐观的。他判断，日军下一步的行动无非有两种可能：一是以一部兵力由蔚县向广灵行佯攻，以主力沿平绥路西进，夺取大同以图切断晋绥之联络线;二是以一部兵力向天镇行牵制攻击，以主力向广灵进攻，企图切断我雁门关后路。
但这两种情况，他更倾向于第一种，也就是日军主攻方向在天镇、大同。他打算实施机动的作战方针，那就是——以主力配置于天镇、阳高、广灵、灵丘、平型关各地区，以一部控置于大同、浑源、应县附近以策应各方之战斗，相机转移攻势。
他设想：如敌以主力进攻广灵时，该处守兵应固守待援，以总预备队主力应援该方面之战斗……如敌主力进攻天镇，天镇守军拼死待援，大同附近之总预备队应向天镇挺进，浑源附近兵力偷渡桑干河向天镇右翼实行侧面攻击，以牵制敌人。俟其顿挫，由天镇两翼夹击之。
这一计划得到了蒋介石的批准和鼓励，蒋介石还答应速派河南地方部队刘茂恩的第15军开往山西，归阎锡山指挥。
具体作战方案是：以李服膺第61军在天镇、阳高等地设防，占领既设的“国防工事”，阻止日军西进，掩护聚乐堡、大同主阵地带。其任务是沿平绥线节节抵抗，诱敌至大同外围，由傅作义的第7集团军和杨爱源的第6集团军聚而歼之。
负责打头炮的是李服膺。他的第61军首当其冲，正面迎敌，对整个防线举足轻重。一切的关键在于，李服膺能否尽最大限度顶住进攻天镇、阳高的日军，使主力部队从容布防。
李服膺是在匆忙撤退的过程中接到阎锡山令他防守天镇、阳高等地的命令的。第61军名义上是一个军，其实仅有一个师和一个独立旅，共7个团。况且这点部队在平绥线上同日军已有所接触，虽未大打，但仍受到一定损失。
对于天镇、阳高等地的“国防工事”，第61军的官兵十分熟悉，因为这些工事是一年来他们自己动手修筑的——正因为比较熟悉，李服膺和他的部下才深知其中的利害。施工时，他们从太原只领到很少的材料，钢筋、洋灰不足计划准数的1/10，民工工资、兵工津贴被阎锡山百般克扣。据说阎锡山用它在全国各商埠大做买卖。这种偷工减料做成的所谓国防工事能抵御日军的飞机大炮吗?况且此时还有不少工事未完工，难以使用。有人发牢骚：“做国防工事，不给工具材料，一味克扣工资津贴，这明明是拿上肉弹顶铁弹……”
不难设想，当李服膺接到阎锡山“坚守3天，拒敌西进”的命令时，表现出了一定的惊慌。但他信奉“咱不做阎先生不放心的事，不做对不起他的事”这一类的话。仓促中将独立200旅第400团部署在盘山制高点上，第101师的3个团依次在盘山以北的罗家山、李家山、铁路两侧至北山瓦窑口一线布防，第399团负责天镇城防，第401团驻守在天镇城外，第414团驻守天镇以西约30公里的阳高县城。这样，第61军构成了以盘山为主阵地、由4个团组成第一道防线，以及以天镇、阳高两城为纵深防线的T字形防线。军司令部驻于阳高县城内。
据亲历过天镇之战的第101师第213旅旅长杨维垣回忆：战前，李服膺曾亲莅一些部队讲话，号召官兵不怕牺牲，坚守阵地，军部还印发了《告全军官兵书》，部队可以说士气旺盛，斗志昂扬。
9月5日，即第61军进入阵地的第二天，大批日军尾追而至。开始日军并未攻击最为重要的阵地盘山，而是集中火力攻击第101师第425团的李家山、罗家山阵地。团长李在溪注意到，日军这次进攻，并不用惯用的步炮协同的战术向他们冲击，而是先以步兵涌至阵地前，诱使他们进入阵地后，敌飞机即低空投弹扫射，然后继以猛烈炮火轰击。如此反复，整整延续了4昼夜。敌步兵根本没到他们团阵地直接冲锋，他的1?300余名的团队即伤亡官兵700多人，全团9个连长，阵亡3人，伤5人。
李在溪心中十分焦急，前后共给军长李服膺送去18份紧急战况报告。40多年后，李在溪回忆道，李服膺和他军部的全体人员，惊慌失措，整天忙于钻防空洞躲飞机，他的18份报告，被军参谋长刘金声装入裤袋内睡了大觉。第4天的傍晚，李军长和他通了电话，说：“你团的情况十分危急，应该给你增调兵力，但目前实在抽不出部队来，无论如何你要尽力支撑，不能放弃阵地。”
然而，李在溪的直接上司、第101师213旅旅长杨维垣却回忆说：“此时，军长李服膺在阳高城内坐卧不安，率幕僚人员与直属骑兵连进驻天镇城西村庄，指挥作战……综计我101师伤亡官兵共达千余名。遗憾的是，我旅425团团长李在溪，自始对抗战抱悲观消极态度，在阵前竟越过师、旅长，多次径电军长请病假辞职。军长知他无病，复电责以大义，指示他勉为其难……该团程琮营被敌人突破一处，全团溃退下来。我严令该团立即反攻，虽未完全恢复原阵地，总算稳住阵脚，全线未受严重影响……”
可以肯定地说，最初的战斗是激烈的。3天过去了，第一线的部队虽歼敌不多，但伤亡十分惨重，工事悉数被毁。所幸的是主要阵地并未丢失。李服膺在阳高城他的指挥部里，总算舒了口气。然而，这时候，他又接到了阎锡山“续守3天，掩护大同会战”的电令。阎锡山的命令他自然不敢违抗，只好强打精神督促部队全力坚守，一完成任务马上撤退。
如果不出意外，再坚守3天估计问题不大。天镇是雁北地区的门户，此仗是日本进攻山西的第一仗，如果打好了，谁的脸上都感到光彩。
然而，意外的情况还是发生了。
意外的情况就出在防守盘山的第400团身上。
盘山位于天镇东南约4公里的地方，是一座高峻险要的山峰，也是天镇的名胜。站在山顶，既可以俯瞰平绥铁路，又能屏障天镇全城。按说日军要占领天镇，必先攻下盘山。
第400团的团长叫李生润。几天来，别处都打得很激烈，本来应该首当其冲的盘山主阵地，却不见日军来攻。他有些暗暗得意。大约在9月8日的傍晚，李生润给第425团团长李在溪打电话，说：“团长(李生润曾当过李在溪的团副)，这几天你们阵地上很危险吧?我在望远镜里看到了。军长既无法抽调部队，我私自抽一个营支援你，如何?”李在溪说：“这怎么能行呢，抽调兵力要请上级决定，况且你那里是主阵地，关系重大，千万不要麻痹大意……你那里情况怎样?”“我是高枕而卧，阵地绝无问题。”李在溪嘱咐他要提高警惕，决不可轻敌。李生润满不在乎地说：“老团长，请放心，我随时注意着哩!”
