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