保定行营主任徐永昌得知上述情况后，即令正在后撤的第68军暂留有力一部在水宿亘小四庄之线占领阵地，对桃花堡、西合营警戒；并令第3军曾万钟部派1个团自易县出发，赶往涞源布防。在广灵方面，汤恩伯将第84师配置于六棱山、火烧岭一带；第21师主力配置于豹峪、洗马庄一带，阻止日军进攻。
      日本关东军察哈尔派遣兵团在占领张家口以后即向天镇方面进攻。阎锡山判断日本关东军主力将分３路从兴和、天镇、东井集进攻大同，他决定诱敌进入大同东面的聚乐堡“国防阵地”地区，集结强大兵团于南翼的浑源、东井集间和北翼的绥东丰镇、兴和间，发动南北钳击，并以骑兵集团向张家口挺进，实施“大同会战”，于是命令第61军在西湾堡、天镇、阳高地区阻止敌人前进。第61军军长李服膺接到在天镇、阳高方面固守的任务后，立即在该地布防。
9月3日，集结在永嘉堡的日军独立混成第15旅团一部，向位于砖窑村的第61军警戒阵地发动攻击，战至黄昏退去。4日，该旅团在30余架飞机和炮兵的支援下又向天镇城东的李家山、罗家山发动攻击。激战1日，形成对峙。6日，日本关东军向天镇守军发动全线攻击，攻占城东南的盘山。7日拂晓，守军除天镇城内第299团坚守城垣阻击敌人外，其余全被日军冲垮，向后撤退。
8日晨7时，6架日机轰炸阳高。同时，日军分南、北两路向镇宏堡、聚乐堡一线追击。此日，日军除混成第15旅团占领镇宏堡外，其余主力向聚乐堡攻击，并令军预备队第11联队也加入战斗。10日，日军围攻阳高城。守城部队第414团受到严重伤亡，城被日军攻陷。第61军军长李服膺即率部(除仍在坚守天镇的第299团外)撤退至聚乐堡以南的瓜园村休整。
防守天镇城的第299团曾在10日打退日军的两次进攻。11日，日军以飞机、大炮将天镇东北城角击毁。其步兵乘势猛冲，仍被守军击退。但是守军已连续苦战数日，城内粮弹均缺，遂突围。天镇城终被日军占领。在此情况下，阎锡山的“大同会战”计划已成泡影，便下令各部队向大同以南、桑干河南岸的山地转移。
阎锡山在下令部队转移时，曾留1个旅在大同城附近依城野战，2个旅占领大同以西山地阻敌西进。这实际上是一个放弃大同的部署，所以日军独立混成第１旅团于9月13日未经战斗便进入晋北重镇大同。
日军占领大同后，关东军的作战告一段落，接着部署攻占大同附近的地区。独立步兵第11联队于17日占丰镇，于24日占集宁。独立混成第1旅团于17日占领大同西南的尚希庄，于18日交防给混成第15旅团，尔后向绥远方面进攻。占领南壕堑的日军河村支队于9月19日占领兴和，接着向凉城方面进攻。24日，该支队在从右玉方面进攻的松井支队的协同下进占凉城。至此，察南、绥东和大同周围的晋北地区全部沦于敌手。
 作 战 简 析

平绥路东段的作战中，绝大多数的中国军队表现出英勇顽强的抗战精神，尤其是南口地区的争夺战更为突出。但经过半个多月的激烈战斗，南口、张家口等战略要地终于被日军攻占。中国军队的失利，有主、客观方面的因素。就作战指导方面而言，则主要原因有二：一是指挥不统一，难以协同作战；二是刘汝明指挥严重失当，贻误了战机。
卢沟桥事变爆发后，中国统帅部对敌情的判断从总体上说是比较准确的。早在7月中下旬，即已开始全国性的抗战部署。对平绥路东段的作战部署，从7月下旬也已开始。蒋介石在南京还召见了汤恩伯，令其率部至南口地区布防。但平绥路东段地跨第一、第二两个战区和河北、察哈尔两省，参战部队又极为复杂，在这种情况下必须有一个权力高度集中的领导，实施统一的指挥，才能关照全局，掌握关节，正确、及时地指挥作战，使参战部队协调一致地行动，充分发挥整体力量，夺取战斗的胜利。但由于历史的原因，蒋介石不是从作战的需要出发来建立部队的指挥系统，而是更多地考虑派系和人事关系。7月31日，蒋介石致电傅作义，询问：“将来向冀察出击时，汤军等部可否由兄统率指挥，请兄密计之。”可8月1日蒋介石任命汤恩伯为第7集团军前敌总指挥，而汤对所辖部队并不明确。因此8月2日在张家口决定南口、张家口防御计划时，是汤和刘汝明及第84师师长高桂滋以协商方式解决的，并由汤请刘任副总指挥。8月3日蒋介石致程潜关于修正战斗序列的手令中说：“抽晋绥军3师至4师向冀、察两省进击。该路以傅作义为集团军总司令。一切以阎副委员长妥商决定。”可见这时傅作义的指挥权还在商讨之中。南口作战展开之后，蒋介石才要求傅作义“迅发所部，以复察北，以固张圉，一面援助汤军……勿使其孤军受危、南口失陷”。此后方明确傅作义为第7集团军总司令，刘汝明为副总司令。由此可见，第7集团军虽然名义上以傅作义为总司令，由他负责平绥路东段的作战，但实际上是3个指挥官各自指挥各自的部队、各自独当一面：汤恩伯负责河北南口地区的作战，刘汝明负责察哈尔张家口地区的作战，而傅作义则统率预备队。