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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，于是召集残部向城外突围，一千多人的团，跟着白团长突出来的仅有三百多人。

阳高陷落，天镇成了一座四面被围的孤城，孤城里的孤军是三九九团。

中国陆军第六十一军第二旅三九九团，团长张敬俊，全团十二个步兵连，加上机枪连和迫击炮连，总计一千四百余人，从军官和士兵也多是河北、山东和河南人。——中国的北方人有股子拼命的蛮劲。攻击天镇的日军认为，这座孤城里的中国守军不会再守下去了，没有人会在没有任何希望的情况下找死。因此，日军高举着日本旗，列队向天镇城东门走来，仿佛不是在攻击而是准备接管。日军刚一走到城门下，突然遭到来自城墙上方的猛烈射击，队伍瞬间混乱起来。很快，日军的重炮开始轰击城防，坦克也抵近射击，天镇城墙被摧毁，日军的飞机把小城炸成一片火海，接着便是步兵的轮番冲锋。三九九团守军格外顽强，就是找死一般死也不退。战斗持续了三天，三九九团伤亡惨重。天镇县县长劝张敬俊团长不要再守了，因为拼死打下去最终也打不赢，小城里的老百姓在战火中太遭罪了。痛苦万分的张敬俊让团附把残存的部队带走，他要一个人留下来尽军人的职责。官兵们不愿意，表示要走一起走，要死一起死。于是，“九月十一夜间，三九九团有秩序地撤出天镇城”。

天镇陷落，“大同会战”瞬间成为泡影。

阎锡山命令各部队向大同以南、桑干河南岸的山地转移。

九月十三日，关东军察哈尔兵团独立混成第一旅团未经战斗进入了晋北重镇大同。

大同，平绥、同蒲两条铁路衔接处，“为晋、察、绥之交通要冲”。

恼羞成怒的阎锡山将第六十一军军长李服膺扣押了。

第二战区司令长官部少校副官庞小侠目睹了阎锡山审问李服膺军长的过程，这是一次典型的家族式的审判：十月三日晚上十一点左右，阎锡山在省府大堂审讯李服膺。他坐在中间，谢濂（保安司令）、张建（宪兵司令）、李德懋（原绥署副官长）坐在两边。我那天是值日官。宪兵用汽车把李服膺押来后，阎锡山对李说：“从你当排长起，一直升到连长、营长、师长、军长，我没有对不起你的地方，但是你却对不起我。第一，你做的国防工事不好；第二，叫你死守天镇、阳高，你却退了下来。”说到这里，李服膺插嘴说：“我有电报。”阎说：“你胡说！”接着又说：“你的家，你的孩子，有我接济，你不要顾虑！”李服膺这时掉下了眼泪，没有再说什么。阎锡山向周围点了一下头，就走了。阎锡山走后，警卫营就带着绳子去捆李。谢濂说：“那只是个样子！”于是没有捆，只把绳子搭在脖子上。记不清是张建还是李德懋问李服膺：“有对家里说的话没有？”李服膺摇了摇头，没说话。之后，就把李押上汽车。李走得很刚骨。执行枪毙任务的康连长回来跟庞副官这样说的：“我就用山西造的大眼盒子，一枪收拾了他。”

几乎所有熟悉李军长的人都为他喊冤，尤其是第六十一军官兵。他们认为，天镇、阳高一线战斗惨烈，面对日军重型武器的官兵手里的枪械都是山西造的，导致伤亡十分严重。战斗中，部队既得不到明确指示，又得不到任何支援，就这样把李军长不明不白地枪毙了实在不公平。还有官兵揭露，国民政府出钱修筑国防工事，可第六十一军从太原领到的钢筋、洋灰等材料不足计划的百分之一，据说官员们把修筑国防工事的拨款都贪污了。

天镇失陷后，日军迅猛南下，晋北战场呈现出混乱局面。

局面的恶化，绝不是处决一个军长就能挽救的。

九月十一日，侧翼的日军第五师团从蔚县出动，向广灵方向推进，并以一部向火烧岭一带迂回。汤恩伯命令高桂滋的第十七军第二十一师主力防御广灵城正面，第八十四师在火烧岭一线阻击。十二日，日军向火烧岭中国守军阵地发起攻击，同时向广灵方向的中国守军阵地压迫。十三日，布防火烧岭以西刘家沟的第八十四师四九九团陷于苦战；广灵城正面防御阵地上的第二十一师也处在激战中，四二四团在与日军的肉搏战中伤亡甚重，阵地最终被日军突破；四二三团团长吕超然率部实施反击时中弹阵亡。

日军第五师团于侧翼向南发起的猛攻，令阎锡山从北向南部署的防线出现了倾斜。十三日，阎锡山不得不重新调整部署，重点是调集部队堵住日军第五师团的南下势头，以图稳住整个战场的侧翼。

十四日，日军第五师团的攻击力度丝毫未减，布防广灵方向的第七十三师在以弱对强的阻击中伤亡惨重。阎锡山命令汤恩伯，如果实在守不住防线，可以撤退到广灵以南建立新的阵地。汤恩伯接到命令后，立即命令第七十三师、第八十四师和第二十一师全部撤退。广灵遂被日军占领。

这一天，为了避免战场混乱以及无法遏制的互相推诿，阎锡山划分了各军作战地域以便各负其责。这些地域自大同向南基本呈现出左右两部分：左侧的部队是第六十一军、第三十四军、第十九军、第三十五军，以傅作义为总司令；右侧的部队是第三十三军、第十七军、第十五军，以杨爱源为总司令。第十八集团军、第七十一师和第七十二师为预备队。

日军第五师团第二十一旅团占领广灵后，向广灵以南的灵丘和广灵以西的浑源方向继续追击。十五日，阎锡山严令第七十三师师长刘奉滨在广灵南面的山地坚守，如果再退就军法论处。刘师长率部在广灵以南一个叫直峪口的险要山口挡住了日军第二十一旅团，全师官兵拼死作战，陡峭山崖上的阵地五次失守又五次发起反击而复得，直到刘奉滨师长负伤后，第七十三师才向后转移阵地。

虽然部队节节推进，但师团长板垣征四郎恼怒了：华北方面军命令他率主力折向东，去支援平汉路上的作战。——眼看第五师团推进顺利，如果没有干扰的话，他可以向南直插五台山然后打进太原城，在关东军面前把这个头功抢到手。心有不甘的板垣征四郎下达命令：第九旅团继续占领浑源，第二十一旅团继续攻击灵丘。