倫野戰機場進駐500架作戰飛機，實施空中打擊。日軍第一方面軍總兵力為36萬人。

日軍第二方面軍下轄第四軍、第五軍、第六軍，第四軍軍長高倉浩二，下轄第4師團，第9師團，第17師團，第21師團，總兵力十萬人。第五軍軍長大島川雄，下轄第28師團、第三十一師團，第三十三師團，第四十師團，總兵力十萬人。第六軍軍長宮本一郎，下轄第23師團，第49師團，第58師團，第105師團，總兵力十萬人。其中戰車第一旅團從國內調來，第2、6重炮旅將配合娘子關方面作戰。

日軍第二方面軍第四軍、第五軍，將投入娘子關方面作戰，第六軍擔任安徽和河南方向的警戒。另外，日軍在北平南苑機場投入300架遠端轟炸機配合地面作戰。同時日軍在石家莊迅速開闢了一座小型野戰機場，主要是佈防戰鬥機，其目的就是為轟炸機護航。日軍投入娘子關方向的作戰，總兵力為23萬人。

9月15日凌晨，日軍出動北平南苑機場的遠端轟炸機，首先對天鎮防線展開狂轟濫炸，繼而日軍第8師團、第12師團、第18師團率先在長達50多公里的防線發動急攻。由於第2師團正在恢復期，暫時作為預備隊使用。日軍在這個進攻方向沒有投入戰車裝甲部隊，原因是這條防線是山地，坦克裝甲車根本施展不來。

一開始戰況就十分猛烈，大同北方戰區司令部，滴滴答答的電報聲不絕於耳，作戰參謀不住的接聽電話，隨時掌握前線的訊息。此時，傅作義望著地圖有些焦急說：“難倒我們判斷錯了，日軍重點進攻是天鎮、大同方向？林十分冷靜說：”我敢斷定日軍發動的是佯攻，他的意圖是調動我們的兵力。你看日軍調動了三個師團在50公里長的防線發動急攻，這完全不是日軍的作戰特點，而且出動全部的遠端轟炸機展開空襲，目的非常不明確，最起碼他應該選擇一處突破點，因此我認為日軍的進攻重點仍然是察哈爾方向，日本人的意圖就是讓我們產生誤判。”

傅作義說：“林副指揮，你說得有道理，我也感覺日軍突然發動的攻勢太猛、太急，有些不合常理，完全失去日軍進攻的風格。既然日本人讓我們上鉤，我們必須做出姿態。電令新三軍，派出多股部隊，擺出向南開拔的跡象，我想日軍的偵察機很快就會發現這個情況。”

太原司令部，彭德懷說：“穆司令，明顯看出日軍發動的是佯攻，是否把這個情況通報北方戰區司令部。”穆亞平說：“我們應該相信北方戰區指揮官的判斷能力。”話音剛落，北方戰區的電報便到了。穆亞平看完電報說：“彭總，他們和我們的看法一樣，認為日軍發動的是佯攻，他們進攻重點依然是察哈爾防線。”彭德懷說：“日軍在天鎮防線發動進攻，也有試探虛實的目的，同時積累山地作戰的經驗。”

穆亞平點點頭說：“彭總你分析一下，日軍在天鎮方向擺上四個師團，一方面造成大兵壓境的局勢，即便是佯攻也有可能突破的可能，應該告訴前線指揮官，千萬不能麻痺大意。另外，日軍第2師團沒有參加進攻，是否有可能從左側翼參加會攻察哈爾的可能？”彭德懷說：“有這個可能，應該提醒北方戰區指揮部，注意察哈爾的左側翼。總之察哈爾將面臨一場惡戰。”

果然次日凌晨，日軍在天鎮方向攻勢銳減。緊接著日軍在多倫野戰機場出動200架轟炸機，開始空襲察哈爾防線。當天日軍兵分三路，集中六個師團在康寶、張北、興和長達100公里的戰線發動了潮水般的攻勢。日軍進攻的重點是位於防線中部的張北防區。日軍的重點突破也在這裡，因此日軍在張北投入了三個師團，及第二軍第5、22、55野戰師團。

張北防線是三十三軍第七、第八師外加獨立第二旅在防守，後部防線是新一軍第一師組成縱深防守態勢。而總預備隊新三軍位