9月8日下午，周恩来、彭德怀离开太和岭口，依阎锡山的建议赶赴大同，与傅作义商量有关事宜。次日，周、彭一行返回太和岭，阎锡山又主动约见。鉴于日军此时已重兵压到晋北一线，阎锡山准备在平型关与雁门关实行重点防守，并要求八路军与之配合行动。周恩来根据阎锡山在这两地的防御部署，建议阎不要单纯死守阵地，而应主动出击，实行侧击和伏击。同时为了提高八路军的威信，也给晋军以一个好的影响，他与彭德怀提出将第115师开到五台、灵丘地区，配合友军布防于平型关一带，在侧翼伺机歼敌；第120师开到晋西北地区，待敌进攻雁门关时，从侧翼进击，阎锡山对此表示了赞同。
1937年9月中旬，日军占领大同，山西北部门户洞开，华北局势急剧逆转，原来部署的八路军作战地区已经变成日军的战略中枢地带。因此，毛泽东于9月16日电示周恩来，在此情况下，我3个师已无集中晋东北一处之可能，更无此必要，提出将3个师分散布置在晋东北、晋西北和晋南太岳山脉。而此时的第115师于8月底渡过黄河，在侯马因暴雨冲毁铁路逗留数日后，已开进晋东北地区，于是，周恩来与在9月21日率领八路军总部到达太原的朱德，在22日傍晚一道乘车去太和岭口，与阎锡山进行商谈，重申了八路军进行独立自主的山地游击战的作战原则，商谈了八路军作战的地域、军队驻扎和兵力使用等问题，周恩来一再申明共产党的作战方针是持久战，不是速决战，主张以广泛发动群众、组织群众和开展游击战来支持长期抗战。会谈之后，阎锡山与周恩来一道在视察雁门关一带阵地时，周恩来用探询的口气问阎锡山：“如果日寇攻到这里，你准备怎么打”？阎未正面回答周的提问，只是说：“我拼了老命也要保住山西”（南新宇：《周恩来的一生》中国青年出版社1987年版，第223页）。
9月27日，周恩来在太原致电阎锡山和第二战区副司令长官黄绍竑，提议：下令平汉退军转侧面发展游击战；催桂军立即北上增援娘子关；督促蒋介石迅速武装河北民众，组织河北游击战争。阎锡山复电表示赞同，并提出“华北局势日危”，“请将刘师（八路军129师）早日北开以挽局势”（《中共党史资料专题研究集——抗日战争时期》（一），中共党史资料出版社1988年版，第7页）。
周恩来与朱德同阎锡山这次太和岭口会谈后，9月中旬至10月初，八路军3师部队陆续进入作战地区。第115师进入以恒山为依托的晋东北地区；第120师进入以管涔山为依托的晋西北地区；第129师先进入正太线南北地区，然后逐渐向太行山南侧转移。三师部队在各自所在地区，在正面战场的侧后立即开展游击战争，并实施战略展开，创建抗日根据地，并由此拓展到整个华北，逐渐发挥了山西战略支点的重大作用。
“七七事变”爆发后，阎锡山礼迎周恩来，并同意改编的八路三师部队按中共的要求开赴晋东北、晋西北和晋东南地区，可说是他在“联共抗日”道路上的又一大进步。尽管这其中有着中日民族矛盾的上升，国民党蒋介石对日政策的改变，以及他为自身“存在”的考虑等等原因，但他能够在中国历史发生大变局的关键时刻，采取这些做法，还是值得肯定的。如果不是这样，而是相反，那么，八路军三个师就不会如此顺利而迅速地开赴山西抗日前线，配合友军对日寇的猖狂进攻予以坚决的抵抗，也不可能有以山西为依托的晋察冀、晋冀鲁豫和晋绥三大华北敌后抗日根据地的很快建立，从而在战略上有效地遏制日军的进攻。所以阎锡山此举对于中国人民坚持抗战，并夺得这场战争的胜利，在客观上仍是有着重要的现实意义和深远的历史意义的。对此，中共领导人张闻天曾经说过：“我们承认阎百川先生是在当代政治家中比较有远见的。不论在过去一段时间内，他同共产党怎样立于完全对立的地位，想出了各种怎样的‘防共’的办法，反对过共产党，然而当日本增兵华北，华北形势十分紧急的情况下，阎先生就开始把‘防共’的精力转向‘守土抗战’，……阎先生的这种变化，是值得我们赞许的”（《解放》周刊，第25期）。
2、“大同会战”失败，继又组织忻口战役
1937年8月25日、27日，南口和张家口的相继沦陷，使察南丧失屏障，无险可据，日军则乘势突破察省平绥路各据点后，分兵两路，向晋绥深入，战火开始向山西境内蔓延。
当日军占领平、津，兵分三路向华北大举进攻，其中一路沿平绥路西进，意在夺取山西、绥远时，8月5日，阎锡山奉蒋介石之命派第二战区第七集团军前敌总指挥汤恩伯率部进驻南口，部署防守，以阻止沿平绥路西进之敌。他本想依赖中央军阻敌于晋省境外，但由于日军为打开这个平绥路东段的门户，以实现其战略意图，不惜全力疯狂进攻，而这时，平绥线上的另一军事重镇张家口已被日军包围，使南口守军处于腹背受敌的困境，加之指挥作战的将领一味依重单纯性防守，同敌进行阵地消耗战，援军又迟迟未能赶到，所以，尽管守军顽强抵抗，浴血奋战，仍未能守住。
南口、张家口失陷后，阎锡山判断日军将沿平绥路西进，进攻大同，遂命令南口前线各部队西返大同地区集结，准备与日军决战。为此，8月28日，阎锡山乘坐用汽车改装的铁甲车离开太原，赴原平，然后改乘汽车到代县雁门关东太和岭口，设立行营，指挥作战。随同阎的军政要员有赵戴文、朱绶光、张培梅、王靖国、续范亭等，并由郭宗汾兼行营参谋团主任。次日，阎锡山发表了《告第二战区前敌将士书》，云，：“此次战争，是国家民族存亡的关头，非胜不可，应将个人生死利害，置之度外，方能致胜，方能救国”，“锡山定本牺牲救国之决心，领导大家，一致努力，一致牺牲”，“民众为国家主人翁，武力与民众结合者必胜，否则必败”（《阎锡山年谱》（五），第2037——2038页）等等。并在军事部署上，鉴于敌我双方可能于雁门关以北摆开战场，拟订了一个“大同会战”（也有称“雁北会战”）计划。
大同又称平城，曾是北魏的国都，它处于雁北大同盆地西北部，北有外长城作屏障，西南靠管涔山为依托，东南凭恒山为支持，与平型关遥相呼应。平绥、同蒲两铁路又交汇于此，扼晋、察、绥交通要冲，自古就是军事重镇，晋北的门户。如果大同及周边地区为我所控制，北出外长城，则可制西进之日军左侧背，反之，若大同为敌所占，则可沿同蒲路南下，直扑太原。正因为大同的战略地位如此重要，所以，阎锡山在制定“大同会战”计划时，曾有过这样的考虑，认为日军进犯晋北有两种可能：一是“以一部兵力由蔚县向广灵行佯攻，以主力沿平绥路西进夺取大同，以图切断我晋绥之联络线”。二是“以一部兵力向天镇行牵制攻击，以主力向广灵进攻，企图截断我雁门后路”。因而，阎锡山确定了机动的作战方针，即“ 以主力配置于天镇、阳高、广灵、灵丘、平型关各地区，以一部控制大同、浑源、应县附近以策应各方之战斗，相机转移攻势”（《抗日战争正面战场》（上），第451页），以达到利用山地歼灭敌人之目的。“大同会战”计划制订后，阎上报蒋介石，得到蒋的批准与鼓励。蒋同时还答应速将刘茂恩第15军派往山西，列入第二战区序列，以作为南口失守后，将汤恩伯3个师拉走调向平汉线的补偿。
依此计划，阎锡山又制定了具体作战方案。将李服赝第61军及其他部队共7个团，附属一个山炮营，布防于晋省东北边界的西湾堡、天镇、阳高等地，拒止日军西进，掩护大同东面的聚乐堡主阵地；王靖国的第19军及其所辖3个旅，附属山炮团、野炮营又1个重炮连，占领大同东面30里的聚乐堡，吸引敌于熊耳山和外长城线间的南洋河盆地；杨澄源第34军及刘茂恩第15军为南兵团，以杨澄源为指挥，集结于浑源、东井集间；傅作义第35军（3个旅共计9个团兵力），及绥远的两个骑兵旅、附1个山炮团、1个野炮营为北兵团，以傅作义为指挥，集结于丰镇，得胜口等地待机。骑兵集团军赵承绶、门炳岳部设防于绥东之兴和东北地区，刘奉宾第73师在广灵以北火烧岭——洗马沟一线担任警戒。孟宪吉独立第8旅设防于雁门关上，辜拯宇独立第3旅布置在五台、龙泉关间，陈长捷第72师和新编独立第4旅于镇河部，编为预备兵团，由阎锡山直接掌握。
阎锡山这样的计划，本想将日军诱至聚乐堡主阵地后，南北两军发动钳击，合击于该地区，况且外围、内线均有部队策应，似乎胜券在握。
可是，他的计划迅速被日军的进攻打破。因为日本关东军察哈尔派遣兵团，在伪蒙军的配合下，继续沿平绥路西进时，除其先头部队第15旅团推进至柴沟堡，直指天镇外，又兵分三路向南向西挺进；一部由张家口趋兴和，以图集宁；一部自怀安逼阳原，进攻浑源；一部从怀安扑蔚县，直插广灵。三路大军分进合击，对大同乃至晋北形成了包围态势，而非像阎锡山当初所设想的日军可能“以一部主力夺取大同”，或是“以一部主力向广灵进攻”。
9月2日，日军第15旅团、混成第2旅团，分别进至天镇的永嘉堡和史家堡一带，至此，日军已进入山西境内。
天镇是雁北东部的门户，大同的前哨，正因为如此，所以，阎锡山电令李服赝率部固守天镇以东盘山迄北之线和天镇城3天以上，拼死待援；以大同附近之总预备队相机向天镇附近推进，而浑源附近兵力也渡桑干河，向天镇右翼实行侧面反击，俟其顿挫，再由天镇两翼夹击之。而也正是因天镇的战略地位如此重要，它自然也就成了日军进攻山西的首选目标。因此，“大同会战”首先从天镇拉开帷幕。
从9月3日开始至9月6日，日军在飞机、大炮、坦克、装甲车的配合下，先后向天镇外围李服赝部驻守的李家寨、罗家山、砖窑村，以及天镇主阵地盘山，发动了多次猛烈进攻。守军拼死抵抗，使敌未能很快得手。盘山激战时，原来坐镇阳高指挥的李服赝坐卧不安，急率行营人员及直属骑兵连进驻天镇城西村庄指挥作战。阎锡山也急调王靖国第19军在丰稔山、聚乐堡一带紧急布防，声援天镇，同时向蒋介石致电，称“钧座对积极方面，收复察、平，或增兵固守晋绥，俟敌再度来攻；或消极固守山西，均应有所打算”。蒋回电云：“敌攻大同时，当由平汉、津蒲两方面令卫（立煌）部同时反攻策应，以收复平津及察省也”（张宪文：《抗日战争的正面战场》河南人民出版社1987年版，第55页）。尽管如此，9月6日，盘山仍告失守，日军兵临城下，李服赝率残部退往王千户岭，天镇仅留独立200旅之第299团固守。
9月8日，日军开始攻城，接连数次，均被守军击退，日军遂改变策略，一面继续向城内轰炸，一面绕过天镇，奔袭阳高、大同。
阳高城内守军仅600余人，况且根本无天险可据，虽经英勇抵抗，阳高也于9月10失陷。阳高失守，天镇后路被截，李服赝乃下令弃守天镇。11日日军占领天镇，于是，日军乘势向大同附近集结兵力。
9月11日，日军突破聚乐堡附近阵地，机械化部队直驱大同城外，由于此时配合大同守防的刘茂恩第15军仍未到达大同布防，城内兵力薄弱，驻军见大同难以坚守，便于当晚炸毁御河铁桥，弃城南撤广武、雁门关一线。在此状况下，阎锡山听从王靖国“大同无死守的价值”的建议，下令弃守大同。日军原以为大同定有重兵驻守，未敢妄动，隔了两天，见城内毫无动静，遂在未受任何抵抗的情况下，于9月13日占领大同，阎锡山的“大同会战”终告失败。
蒋介石对阎锡山“大同会战”的失败表示了不满，急电警示阎：“集中兵力于一点，与敌决战，是失我所长，而补敌短，此非不得已，切勿轻用，弟意晋绥阵地（当）取积极防御为主也”（《抗日战争正面战场》（上），第454页）。尽管迫于南京政府的压力和国人的谴责，阎锡山不得不“挥泪斩马稷”，将“大同会战”之责推给了他的爱将李服赝，并于10月4日将其处决，但此次会战失败所产生的不良影响及其严重后果，毕竟是难以弥补的。
大同被弃守的第二天，9月14日，日军又攻陷广灵。之后继续向灵丘、浑源挺进。
阎锡山为防止日军攻占平型关，切断雁门关的后路，在将其战区主力全面南撤至内长城一线后，又根据1927年北伐中与奉军大战于灵丘、繁峙间的战例，提出了把日军放进平型关以内进行围歼的计划，即以逐次抵抗的方式，诱敌深入到繁峙县砂河以西地区，然后从恒山、五台山两方面发动钳击，并截断平型关要隘，会歼日军于滹沱河上游砂河——大营间的盆地里。阎锡山将此战术称之为“口袋阵”，要把敌人“放进口袋里”，给以狠狠地打击”还颇为得意地说是：“布好口袋阵，让敌人进得来，出不去”（陈长捷：《平型关战役中蒋阎军对日作战及撤退情况》，《山西文史资料》第14辑，第138页）。为此，他将内长城防线分为左右两个地区，以杨爱源为右地区总司令，孙楚为副总司令，辖第33、17军；傅作义为左地区总司令，辖第61、34、63、19军，以第71、72两师为预备军，并把孙楚、杨澄源、王靖国、傅作义所部，分别布防于平型关、茹越口、雁门关、阳方口方面；刘茂恩之15军设防于恒山外侧；赵承绶骑兵第1军之两个师在神池、朔县担任警戒。布防部队共约六七万人。
与此同时，日军也积极部署新的作战方案，决定采用两路分进合击的“钳形”迂回战术，以第5师团约万余兵力为主攻，以察哈尔兵团约万余人为助攻，首先攻占平型关，抢夺南下通道——滹沱河后，继而以迂回战术，直扑忻县，夺取恒山之战略中枢，将该地区之中国军队聚而歼之，然后乘胜南下，直取太原。
阎锡山所以要严防平型关，而日军要首攻平型关，是因为平型关为内长城南端的重要关隘。它位于灵丘县西南，两峡谷中纵贯一条大道——蔚（县）代（县）公路。公路两侧地形复杂，峰峦迭起，陡峭险峻，地势极为险要，它又是控制冀、察入晋之交通要道。日军要由灵丘进攻雁门关侧背必经此路。
日军继9月14日攻陷广灵，17日占领浑源，20日攻占灵丘后，21日板垣即命令日军约4个大队的兵力，沿灵丘——大营镇大道，直扑平型关。步兵第21联队从浑源出发，攻击平型关右侧。
有鉴于此，阎锡山急调73师、第17军、第15军、独立第3旅占领平型关南之马跑泉经平型关至东跑池；东跑池经团城口至西河口；大坪村经凌云口至北楼口之阵地。
9月22日，日军三蒲21旅团的先头部队到达平型关，与担任修筑工事的独立第8旅展开激战，次日拂晓，日军主力四五千人到达，又向平型关、团城口一带阵地大举进攻，并以数十辆战车沿公路向平型关挺进。战况空前激烈，双方伤亡惨重，同时，日军2000余人又向东、西跑池发起猛烈进攻。
