在外围屏障张家口、涞源等地都落入日军之手后，山西开始直接面对日军的兵锋。
阎锡山赶紧命令李服膺率领61军到大同外围的天镇和阳高进行布防，天镇和阳高都是多山之地，自古以来就是防守的天然好地方。阎锡山和晋绥军高层希望61军能利用好当地地利来阻挡日军，至少要阻挡日军一段时间，来为后方的布置争取一些时间。
现在中央军14集团军的几个军正在卫立煌的带领下迅速奔向山西，还有不少陕军、川军等部队也在纷纷向山西行军，但是增援到山西的中央军、其他地方的客军，以及在后方的其他晋绥军部队都需要时间来到达指定阵地并构筑防御工事。
但是让阎锡山都有点吃惊的是，61军在大同东的阳高、天镇、广灵几地抵挡日军3天后放弃大同开始后撤，日军进入天镇后，在天镇实行了大屠杀，天镇原本就是个小城，但就这样一个小城之中，有几百户人家绝户，总计被杀几千人，一时间成了人间地狱。
日军在天镇的暴行迅速在国内被通传，引起了全中国人的愤怒，有一些人对61军抵抗不力也是非常不满，68军都能在张家口和第五师团打一周，61军依靠整个山西的支援只守了了3天，致使天镇乡民落入日军之手，惨遭屠戮。
阎锡山和作为61军军长的李服膺面对全国人的讨问，心中都是有苦难言，日军的进攻的确犀利，这严重超出了原本的预想，不过这也不影响阎锡山对李服膺的不满，作为当了二十多年山西王的阎锡山，山西在他的潜意识里早已经就是他的家底，他深为倚重的李服膺，率领他麾下的精锐61军，在大同这种有着天然防守地利的情况下只是打了3天就后撤，当初他还怕李服膺拼的太狠，将部队都打光了，还给李服膺下了随机撤退的手令，谁又能想到李服膺短短3天将晋北的最大城市大同让给了日军，这完全将他阎锡山和整个晋绥军陷入了被动之中，并且李服膺手里还有他给下达的临机撤退的手令，在得到61军撤出大同的消息后，阎锡山羞恼愤怒之下，将整个办公桌上的东西都摔到了地下。
以现在日军的行进速度，晋绥军及来晋支援的中央军，其他省军就没有充裕的时间在指定地方布防，山西的其他地方也危矣。战局糜烂，此时深深地恐惧和彷徨侵蚀着阎锡山的内心，他从来没有遇到过这么严重的局势，他统治山西二十多年，虽然中间也是历经波折，在中原大战之后还被迫下野躲避了一段时间，但是他知道这次情况和以往完全不同，日本人就是端他的家，要他的老命。
还有对于李服膺也不知道该怎么处理了，轻了不足以威慑全军，重了又怕人说他阎百川薄情寡义，寒了其他将士的心，李服膺虽然后撤，但是也的确在大同血战了三天，阵前处置大将，也与兵法不符，况且对于这个他一路提拔起来的大将，几十年的情分放在那里，让他进退无据，不知如何着手，又是恼怒，又是无奈。
不过这时李服膺做了一件自己求死的事情，他在后撤之后即有些后悔，从军多年，自然能判断出来他率军撤离大同之举会产生的后果，只不过当初面对日军时压力实在太大，日军的战斗力的确强悍，远超过他见过任何部队，3天的抵抗就给61军带来了极大的伤亡，仓惶之下决定退兵，现在缓过神来，他开始觉得当初的撤退有点仓促，开始认真琢磨起日军的战法以及自己的应对之法，他反应过来最好的应对之法应该是层层抵抗，边打边撤，而不是一下子都撤了，这样最少能多阻挡日军几天，不至于激怒阎锡山，对于阎锡山对他的愤怒，他已经从电报之中感觉了出来。
为了免除处罚，李服膺马上联系上了南京国民政府的军法总监唐生智，请求唐生智帮助或者让他去南京面述天镇之战的情况，他更希望能离开此地，到南京去，到时候可以利用晋绥军和中央军的矛盾，或许能免除被处置。不过李服膺没有想到，他的举动被南京立即传回了山西。在李服膺求助唐生智的消息从南京传回山西后，包括李志坚在内的所有晋绥军中高层都已经知道，李服膺已经难以善终了，本来比较看重情分的阎锡山，看在往年的情面上还有可能保一下李服膺，而李服膺惧令智昏，着急之下为了避免不利的后果，而将自己推向更加不利的局面中，向唐生智求助的行为，彻底将他和阎锡山、和晋绥军的情分完全抛弃，在外人看来大同战败更多是晋绥军最高层阎锡山指挥布置的问题，这无疑是自绝于晋绥军整个队伍，在61军内的其余军官也都开始疏远李服膺。情况也的确如人们所预料的那样，李服膺刚撤到雁门关，阎锡山就对李服膺进行了逮捕，没有经过严密
