湯恩伯第4、第89師速開平漢線順德，整理補充，第84師開廣靈，第21師開蔚縣，第94師開淶源佈防。閻錫山得知後，急電蔣介石：“湯軍兩師南調，三師撤防，非特第二戰區陷於危殆，即第一戰區影響亦大，請鈞座迅賜電令阻止”。蔣乃電令湯加以阻止。

為了加強該地區的防禦力量，閻錫山還電呈蔣介石派兵固守淶源，電雲：“淶源地形有天然要塞之形勢，尤為第一、二兩戰區之樞紐，此地一失，一、二兩戰區後路均受威脅。十八集團軍集中為期尚早，請迅在淶源派得力部隊兩三師固守，以易縣、淶源之師防其東去，廣靈、靈丘之兵堵其西來。此部署如成，並可相機殲敵”。

一、整軍抗戰（17）

湯恩伯奉命指揮第17軍及第73師，在廣靈一帶佈防，以阻止日軍西侵入晉。具體部署是：李仙洲第21師一部約1個步兵團，於暖泉鎮附近擔任警戒，主力控置於廣靈西北之南村一帶，構築預備陣地；劉奉濱第73師在伊家店、馬山之線佔領陣地；高桂滋第84師在馬山至火燒嶺一線佔領陣地。

9月12日，蔚縣日軍2000餘人附炮10餘門，冒雨擊退暖泉鎮警戒部隊。次日拂曉，又出動步兵1000餘人，在10餘門炮和6架飛機支援下，向廣靈正面安頭山、洗馬莊一帶第73師陣地猛攻，激戰至中午，守軍第423團團長呂超然陣亡，陣地被敵突破。同日，日軍步兵第41聯隊向廣靈陣地左側翼伊家店迂迴，企圖切斷中國守隊後路。閻錫山即令湯恩伯指揮所部，相機夾擊該敵。

同日（12日），由原陽南下之日軍第21旅團進攻廣靈西北火燒嶺，與守軍交戰，經7個小時的激戰，攻佔火燒嶺東北大白山陣地。陣地守軍在火燒嶺守軍的配合下，將陣地收復。13日，敵2000餘人，步炮聯合，向劉家溝陣地迂迴。李仙洲即以第63旅（欠第124團）在望狐村至亂嶺關以北佔領陣地；第61旅增援劉家溝；親率第124團進駐趙家坪督戰。高桂滋也率預備隊抵小關村附近，向敵攻擊。但因洗馬莊陣地被敵突破，高桂滋部（第84師）向賀家窯附近、周圖寺及其東側高地轉移。李仙洲部（第21師）向鰲峪山（不含）、上白羊、石人山、岔口之線陣地轉移。

9月14日拂曉，日軍攻陷廣靈。次日，日軍2000餘人，在炮火掩護下，由廣靈向第73師松樹山陣地攻擊，衝鋒10餘次將陣地攻佔。劉奉濱急抽兵力，進行反擊，奪回陣地。日軍乃集中火力向側翼陣地攻擊。激戰中，劉奉濱負傷，守軍傷亡過半。閻錫山鑑於該師損失甚重，遂令其向義泉嶺附近一帶高地轉移。而此時劉茂恩第15軍尚未到達渾源，渾源北東井集僅有第34軍的梁鑑堂一個旅。因此，閻錫山感到惶惑不安，擬轉移主作戰方向於渾源方面。

與此同時，日軍察哈爾兵團由天鎮、陽高長驅直入。但在聚樂堡前方，遭到段樹華第209旅的積極抵抗，激戰兩晝夜。王靖國一面向閻錫山告急，請陳長捷的預備軍應援，一面讓集結豐鎮的第35軍南移大同支援。閻錫山“大同會戰”的基礎，已開始動搖。

9月11日，日軍突破聚樂堡附近陣地，機械化部隊直驅大同城外，伺機攻城。而此時配合大同防守的劉茂恩第15軍仍未到達大同佈防，城內兵力薄弱，防守空虛。駐軍見大同難以堅守，便於當晚（11日）炸燬御河鐵橋，棄城南撤廣武、雁門關一線。

這時，閻錫山的“大同會戰”計劃已無實現的可能，當王靖國向他建議“大同無死守的價值”時，便下令棄守大同，將王靖國、傅作義、李服膺等部撤至內長城一線，準備同日軍在平型關方面會戰。這樣，日軍在未受任何抵抗的情況下，於9月13日佔領晉北重鎮——大同。閻錫山的“大同會戰”計劃自然成為泡影，正如其詩中所云：“大同撤兵制機先