不过双方的巨大差距并不是士气上的提升所能弥补的，起初，日军的主攻方向在李家山、罗家山阵地。日军先用步兵冲到阵地前猛烈射击，试探火力，诱惑四二五团防守火力全部暴露后，即用飞机低空轮番轰炸，继而再用火炮猛烈轰山。每天如此轮番轰炸45次，持续4天4夜。最多时，一天竟有32架次敌机在阵地上空狂扫滥炸。在双方士兵还未照面之前，四二五团的1300余名官兵已有70多人阵亡，全团9个连长，阵亡3个，受伤5个。日军在李家山、罗家山屡攻不下，将矛头指向盘山。
在对盘山阵地还未发起正式攻击前，日军已派飞机在此连续扫射、轰炸数日。正式发动攻势。第一天，日军以绝对优势的步兵、炮兵猛攻四零零团三连防地。第二天，全面展开攻击：天上是轮番轰炸的飞机，地上是呼啸齐发的排炮，还有在坦克掩护下冲杀的步兵。敌人的攻击力是很凶悍的，但四零零团官兵同仇敌忾，以拼死精神顽强拼搏，杀退敌人一次又一次的进攻......
61军进入天镇布防时，阎锡山曾电令李服膺“坚守3天，拒敌西进”。转眼3天已过，李又接阎电令“续守3天，掩护大同会战”。一闪，3天又过去了。此时，六十一军前沿阵地设置的地雷、鹿砦等障碍已被日军全部轰毁，官兵们只能利用弹坑、禾束为掩体，用手榴弹拼杀。
苦战7天后，61军最终因敌众我寡伤亡惨重，不得不撤离天镇县，不过这次撤退是有阎锡山的军令的，这可惜这些都不足以挽救李服膺的命。
天镇撤退，大同失守，雁北关陷落，全民震怒。阎锡山无法向抗日热情高涨的全国民众交待，无法向深受日军残害的山西人民交待，也无法向南京的老蒋交待，遂将罪名转嫁到李服膺的头上。
不久，******电令调李服膺到南京陈述战役情况。阎锡山收到电令，急忙于当夜11时审讯李服膺，阎说，：“我从排长一直提拔你到军长，待你不薄，但是你却对不起我。第一，你做的国防工事不好。第二，叫你死守天镇、阳高，你却退了下来。你什么也不用说了。你家里和孩子们，我完全负责，你就放心走吧。”
李军长掏出阎给他的电报说：“我是军人，以服从命令为天职，我是奉命撤退的，愿重返前线，战死沙场。不能这样死的不明不白。”阎锡山理屈词穷，当即离席而去。
未经军事法庭审判，急于杀害李军长更深层次的原因是，抗战开始，******给阎调拨了大量国防经费，阎拿到后并未用于修筑工事，
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