中国军队领导者为六十一军李服膺和十九军王靖国，日军方面领军者则为酒井兵团酒井镐次。战斗中，守住阵地的国军与酒井兵团互有攻防。9月11日，中国第二九九团孤军坚守天镇一週后突围南退，12日撤离大同。
部署.1937年9月13日，由于大同失守，日军第5师团攻占河北省阳原、蔚县、山西省广灵后，挺进山西浑源、灵丘，企图突破平型关、茹越口，与察哈尔派遣兵团进行协同，欲歼灭中国第二战区主力。9月中旬，中国第二战区司令长官阎锡山採取收缩防御的态势，将军力集结于雁门关、平型关、娘子关，沿内长城进行防