北主力侧翼安全，以第5师团、察哈尔派遣兵团分东、西两路从北面进攻山西。9月11日，中国第二九九团孤军坚守天镇一週后失守。日军进陷山西大同。9月13日，李服膺部在天镇、阳高一线守护不力，大同弃守。9月中旬，日军逼近内长城，第二战区司令长官阎锡山在平型关、雁门关一线组织防御。