在外圍屏障張家口、淶源等地都落入日軍之手後，山西開始直接面對日軍的兵鋒。

閻錫山趕緊命令李服膺率領61軍到大同外圍的天鎮和陽高進行佈防，天鎮和陽高都是多山之地，自古以來就是防守的天然好地方。閻錫山和晉綏軍高層希望61軍能利用好當地地利來阻擋日軍，至少要阻擋日軍一段時間，來為後方的佈置爭取一些時間。

現在中央軍14集團軍的幾個軍正在衛立煌的帶領下迅速奔向山西，還有不少陝軍、川軍等部隊也在紛紛向山西行軍，但是增援到山西的中央軍、其他地方的客軍，以及在後方的其他晉綏軍部隊都需要時間來到達指定陣地並構築防禦工事。

但是讓閻錫山都有點吃驚的是，61軍在大同東的陽高、天鎮、廣靈幾地抵擋日軍3天后放棄大同開始後撤，日軍進入天鎮後，在天鎮實行了大屠殺，天鎮原本就是個小城，但就這樣一個小城之中，有幾百戶人家絕戶，總計被殺幾千人，一時間成了人間地獄。

日軍在天鎮的暴行迅速在國內被通傳，引起了全中國人的憤怒，有一些人對61軍抵抗不力也是非常不滿，68軍都能在張家口和第五師團打一週，61軍依靠整個山西的支援只守了了3天，致使天鎮鄉民落入日軍之手，慘遭屠戮。

閻錫山和作為61軍軍長的李服膺面對全國人的討問，心中都是有苦難言，日軍的進攻的確犀利，這嚴重超出了原本的預想，不過這也不影響閻錫山對李服膺的不滿，作為當了二十多年山西王的閻錫山，山西在他的潛意識裡早已經就是他的家底，他深為倚重的李服膺，率領他麾下的精銳61軍，在大同這種有著天然防守地利的情況下只是打了3天就後撤，當初他還怕李服膺拼的太狠，將部隊都打光了，還給李服膺下了隨機撤退的手令，誰又能想到李服膺短短3天將晉北的最大城市大同讓給了日軍，這完全將他閻錫山和整個晉綏軍陷入了被動之中，並且李服膺手裡還有他給下達的臨機撤退的手令，在得到61軍撤出大同的訊息後，閻錫山羞惱憤怒之下，將整個辦公桌上的東西都摔到了地下。

以現在日軍的行進速度，晉綏軍及來晉支援的中央軍，其他省軍就沒有充裕的時間在指定地方佈防，山西的其他地方也危矣。戰局糜爛，此時深深地恐懼和彷徨侵蝕著閻錫山的內心，他從來沒有遇到過這麼嚴重的局勢，他統治山西二十多年，雖然中間也是歷經波折，在中原大戰之後還被迫下野躲避了一段時間，但是他知道這次情況和以往完全不同，日本人就是端他的家，要他的老命。

還有對於李服膺也不知道該怎麼處理了，輕了不足以威懾全軍，重了又怕人說他閻百川薄情寡義，寒了其他將士的心，李服膺雖然後撤，但是也的確在大同血戰了三天，陣前處置大將，也與兵法不符，況且對於這個他一路提拔起來的大將，幾十年的情分放在那裡，讓他進退無據，不知如何著手，又是惱怒，又是無奈。

不過這時李服膺做了一件自己求死的事情，他在後撤之後即有些後悔，從軍多年，自然能判斷出來他率軍撤離大同之舉會產生的後果，只不過當初面對日軍時壓力實在太大，日軍的戰鬥力的確強悍，遠超過他見過任何部隊，3天的抵抗就給61軍帶來了極大的傷亡，倉惶之下決定退兵，現在緩過神來，他開始覺得當初的撤退有點倉促，開始認真琢磨起日軍的戰法以及自己的應對之法，他反應過來最好的應對之法應該是層層抵抗，邊打邊撤，而不是一下子都撤了，這樣最少能多阻擋日軍幾天，不至於激怒閻錫山，對於閻錫山對他的憤怒，他已經從電報之中感覺了出來。

為了免除處罰，李服膺馬上聯絡上了南京國民政府的軍法總監唐生智，請求唐生智幫助或者讓他去南京面述天鎮之戰的情況，他更希望能離開此地，到南京去，到時候可以利用晉綏軍和中央軍的矛盾，或許能免除被處置。不過李服膺沒有想到，他的舉動被南京立即傳回了山西。在李服膺求助唐生智的訊息從南京傳回山西后，包括李志堅在內的所有晉綏軍中高層都已經知道，李服膺已經難以善終了，本來比較看重情分的閻錫山，看在往年的情面上還有可能保一下李服膺，而李服膺懼令智昏，著急之下為了避免不利的後果，而將自己推向更加不利的局面中，向唐生智求助的行為，徹底將他和閻錫山、和晉綏軍的情分完全拋棄，在外人看來大同戰敗更多是晉綏軍最高層閻錫山指揮佈置的問題，這無疑是自絕於晉綏軍整個隊伍，在61軍內的其餘軍官也都開始疏遠李服膺。情況也的確如人們所預料的那樣，李服膺剛撤到雁門關，閻錫山就對李服膺進行了逮捕，沒有經過嚴密