日军第5师团占领阳原和蔚县后，于9月11日以第21旅团向广灵进攻，先后突破守军汤恩伯部第21师及第73师之防线。第73师伤亡尤重，该师第423团团长吕超然率部对日军反击，壮烈殉国。阎锡山命令第73师撤至广灵以南地区。14日，广灵城被日军占领。日军跟踪追击，15日猛攻广灵南山口。
阎锡山严令第73师坚守广灵南山阵地，不得再退，否则以军法论处。该师长刘奉滨亲自督战，与日军肉搏五六次，并在督战中负伤。全师损失惨重，被迫转移阵地。20日，日军第21旅团向灵丘进攻，突破第73师阵地，占领灵丘城。日军第5师团已迫近内长城附近。
9月18日，阎锡山制订了将日军放进平型关以内，加以围歼的决战计划。
其方针是：诱敌深入至砂河以西地区，从恒山、五台山两方面发动钳击，并截断平型关要隘，歼灭敌军于滹沱河上游盆地里。
作战部署为：平型关方面，以第6集团军总司令杨爱源（由副总司令孙楚指挥）指挥第33军、第17军，布防于平型关、团城口南北之线，右起五台山东北，排列独立第3旅、第73师、独立第8旅，迄于平型关正面；北亘团城口，并列第17军第84师和第21师。以上部队首先凭险阻敌，然后主动向南转移，隐入五台山，作为南机动兵团，待机出击。
在北侧雁门山，以恒山、雁门山为屏障，除第15军布防于恒山外，以第101师在北娄口、大小石口、茹越口之间布防，重点置于茹越口。第19军及第34军（欠第101师）扼守五斗山、马兰口、虎峪口、水峪口至雁门关、阳方口间之线，重点置于代县、雁门关之间。
决战地带在砂河及繁峙城之间，以第34军、第1预备军和第2预备军，加强主阵地防御力量。第35军作为机动兵团在宁武集结，向代县东进，连同第15军为北机动兵团，由傅作义指挥，从繁峙北翼展开。待第200旅将敌诱至繁峙主阵地时，南北机动兵团即对敌人发动