1937年9月2日，休整完成后的东条英机察哈尔派遣军大举西进，沿着平绥铁路浩浩荡荡地直扑山西，天镇战役就此爆发。
日军方面，东条英机计划兵分三路进攻，夺取大同，扫荡整个平绥铁路西段，最终拿下包头，控制整条平绥铁路。以本多政材的独立第2混成旅团沿着平绥路向西，正面进攻天镇，拿下天镇后继续沿着铁路西进，夺取大同。以筱原诚一郎的独立第15混成旅团从北面绕开大同正面，迂回到大同西侧，向怀仁县发起进攻，切断大同守军的后路。以酒井镐次的独立第1混成旅团从张家口出发，向北进攻集宁，然后南下占领丰镇，掩护主力的右侧安全。同时，日军华北方面军也命令在宣化一带的板垣征四郎的第5师团夺取蔚县、阳原，继而进攻涞源，配合平汉线上的日军主力进攻保定。
面对日军的来势汹汹，阎锡山调兵遣将，严阵以待，决意与日军打一场大同会战。他根据自己战前对日军进攻路线的判断，决定放弃察哈尔省内的所有阵地和关隘，在天镇和聚乐堡一线布置大量兵力，蔚县、阳原之间险峻的山口全部没有派部队防守。
这是因为一方面察哈尔省原本就不是阎锡山的防区，它是刘汝明的防区，另一方面则是天镇、聚乐堡、东井集等地有国防工事可以依托。这些国防工事是在1936年的时候，国民政府依据国防大纲的计划，拨款给了阎锡山，让其在天镇、聚乐堡、东井集等地建设国防工事。阎锡山计划的是依托国防工事层层抵抗，消耗日军兵力，同时实行诱敌深入，将日军诱至大同外围，再集中兵力挫败日军进攻。除此之外，阎锡山命令绥远境内的部队趁着日军被诱至大同外围的时候反攻张家口，断敌退路。
阎锡山的计划也得到了国民政府的支持，于是调集兵力由阎锡山指挥，全力打好这场战役。
国军的兵力具体部署分为这么几个方面。在山西和绥远两省分界线附近，阎锡山计划部署以下军队：晋绥军第61军李服膺部第101师固守天镇县；马延守的独立第7旅布防于阳高县；豫军刘茂恩的第15军布防于蔚县；汤恩伯部以及高桂滋的第17军由汤恩伯指挥，布防于广灵县；晋绥军第6集团军所辖孙楚的第33军的章拯宇独立第3旅布防于灵丘县，刘奉滨第72师布防于广灵县；杨爱源第34军所部之梁鉴堂第203旅布防于阳原县东井集镇和浑源县；由陕北红军改编而成的第18集团军作为机动兵团部署于蔚县和涞源县一带。
在山西省和察哈尔省分界线以内，晋绥军第6集团军所部第33军孟宪吉之独立第8旅布防于忻州市繁峙县大营镇；第34军所部姜玉贞之第196旅布防于应县；第34军所部郭宗汾之第71师布防于山阴县岱岳镇；金宪章的新编第2师布防于繁峙县沙河镇；预备军第19军第66师所部陈庆华的独立第1旅布防于繁峙县横涧乡平型关村一带。
在大同方面，晋绥军第61军所部刘谭馥之第200旅布防于大同以东地区；预备军第19军所部方克猷之独立第2旅布防于大同，负责大同防御。
在绥远方向，晋绥军第35军所部王子修之新编第6旅布防于兴和县境内；安荣昌的新编第5旅布防于兴和县西南方向的丰镇县隆盛庄镇；赵承绶的骑兵第1军和董其武的第218旅布防于集宁县、察哈尔右翼中旗、商都县、尚义县和化德县等地；孙兰峰的第211旅与袁庆曾（绥远省国民兵总司令）指挥的国民兵6个团布防于绥远省归绥和大庙（锡拉木楞庙）、百灵庙一带；由绥西屯垦军组建的田树梅第205旅布防于丰镇县。
在大同以南地区，王靖国的第19军所部陈长捷之第73师布防于应县；杜春沂第66师所部段树华之第209旅控制朔州市怀仁县以北；杜堃第215旅布防于代县雁门关乡一带。
由以上部署可以看出，阎锡山对于这次大同会战寄予厚望，晋绥军可谓是精锐尽出，主力全部集结于此。此时的中国南方，中日两军在上海地区杀得昏天黑地，日月无光，血流成河，而在中国北方，全国的目光都聚焦到了山西，期待着阎锡山可以打败日军，守住山西。
然而，阎锡山的计划做得很好，但是由于不少军队都是刚参加完南口张家口战役，实力下降，还有部分军队需要时间集结队伍开赴战役位置，因此就需要一支部队阻击日军，为部队部署到位争取时间。
如此一来，压力就给到了负责防守天镇、阳高一带的李服膺第61军头上。为了有足够的时间部署大同会战，阎锡山电令第61军军长李服膺，务必固守三天，掩护大同会战。得到命令的李服膺深感压力巨大，但是他没有办法，只能硬着头皮上。
此时的李服膺，用来防守天镇的兵力满打满算只有5个团。李服膺根据天镇的国防工事，进行了以下兵力部署：李生润第400团占领盘山高地，依托还未竣工的国防工事构筑阵地，进行固守；刘庸之第402团占领罗家山阵地，李在溪第425团占领李家寨，高朝栋第426团以瓦窑口为据点，在铁路两侧迎击日军；张敬俊第399团驻守天镇县城，担任城防守军。整条战线从北到南一字排开，形成一字长蛇阵。
9月2日，日军独立第15混成旅团对瓦窑口、罗家山、李家寨阵地发起试探性进攻，并派出飞机助战。守军积极抵抗，寸土不让，顶着强大的火力打退了日军。日军进攻被打退后，便派出飞机不断轰炸守军阵地，意图摧毁守军阵地。
此时的李宏正带着部队在林子里休息，头顶上每隔一会儿就会飞过几架飞机。李宏看着天上飞过去的飞机，他已经知道了，日军已经开始进攻了。今天是9月2号，按照原本历史发展，明天察哈尔派遣军的独立第2混成旅团就会抵达天镇，天镇战役将正式打响。但是李宏他们现在还在察哈尔省内，连天镇的边界线都还没到，而且从今天早上开始，头顶上不断有飞机飞过，这严重影响了他们的行军速度。为了不让头顶上飞过的日本飞机发现，李宏只得下令部队贴着树林走，一旦日军飞机出现，立即进入一旁的树林躲避。这样一来，不但影响了李宏部队的速度，也使得李宏他们为了躲避日本飞机，不得不绕路走有树林的地方，增加了行军路程。
此时的队伍里，不少士兵已经有了不满的情绪，连续地钻山沟沟，加上身体的疲惫不堪，士兵们心中已经有了一丝不满，如今为了躲避日军的飞机，更是如同老鼠一样，士兵们的负面情绪一下就被放大了。每个士兵的心里都产生了愤怒，他们以前从没有像如今这样窝囊地行军。以前行军，就算是打了败仗，也大多数时候都是在大路上行军，很少有去钻山沟沟的时候，如今却打了败仗不说，更是连大路都不敢走，在这山沟沟里钻来钻去，士兵们心中都觉得很窝囊，憋着一股怒火。
事实上，不止是士兵，就连刘小伟、罗广文两人心里也都有了意见。
李宏对于部队里出现的这种情绪也已经有所察觉，但是此刻他心里更加关心的是天镇的战局，他迫切的想要尽快赶到天镇，参加到这场战役里来。
这时候，忽然从西面传来了嗡嗡的声音，李宏立马意识到，这是日军飞机的声音，连忙大声呼喊：“弟兄们，快进旁边的树林里面躲避，鬼子飞机来了。”