1937 年 9 月 2 日，休整完成後的東條英機察哈爾派遣軍大舉西進，沿著平綏鐵路浩浩蕩蕩地直撲山西，天鎮戰役就此爆發。
日軍方面，東條英機計劃兵分三路進攻，奪取大同，掃蕩整個平綏鐵路西段，最終拿下包頭，控制整條平綏鐵路。以本多政材的獨立第 2 混成旅團沿著平綏路向西，正面進攻天鎮，拿下天鎮後繼續沿著鐵路西進，奪取大同。以篠原誠一郎的獨立第 15 混成旅團從北面繞開大同正面，迂迴到大同西側，向懷仁縣發起進攻，切斷大同守軍的後路。以酒井鎬次的獨立第 1 混成旅團從張家口出發，向北進攻集寧，然後南下佔領豐鎮，掩護主力的右側安全。同時，日軍華北方面軍也命令在宣化一帶的板垣徵四郎的第 5 師團奪取蔚縣、陽原，繼而進攻淶源，配合平漢線上的日軍主力進攻保定。
面對日軍的來勢洶洶，閻錫山調兵遣將，嚴陣以待，決意與日軍打一場大同會戰。他根據自已戰前對日軍進攻路線的判斷，決定放棄察哈爾省內的所有陣地和關隘，在天鎮和聚樂堡一線佈置大量兵力，蔚縣、陽原之間險峻的山口全部沒有派部隊防守。
這是因為一方面察哈爾省原本就不是閻錫山的防區，它是劉汝明的防區，另一方面則是天鎮、聚樂堡、東井集等地有國防工事可以依託。這些國防工事是在 1936 年的時候，國民政府依據國防大綱的計劃，撥款給了閻錫山，讓其在天鎮、聚樂堡、東井集等地建設國防工事。閻錫山計劃的是依託國防工事層層抵抗，消耗日軍兵力，同時實行誘敵深入，將日軍誘至大同外圍，再集中兵力挫敗日軍進攻。除此之外，閻錫山命令綏遠境內的部隊趁著日軍被誘至大同外圍的時候反攻張家口，斷敵退路。
閻錫山的計劃也得到了國民政府的支援，於是調集兵力由閻錫山指揮，全力打好這場戰役。
國軍的兵力具體部署分為這麼幾個方面。在山西和綏遠兩省分界線附近，閻錫山計劃部署以下軍隊：晉綏軍第 61 軍李服膺部第 101 師固守天鎮縣；馬延守的獨立第 7 旅佈防於陽高縣；豫軍劉茂恩的第 15 軍佈防於蔚縣；湯恩伯部以及高桂滋的第 17 軍由湯恩伯指揮，佈防於廣靈縣；晉綏軍第 6 集團軍所轄孫楚的第 33 軍的章拯宇獨立第 3 旅佈防於靈丘縣，劉奉濱第 72 師佈防於廣靈縣；楊愛源第 34 軍所部之梁鑑堂第 203 旅佈防於陽原縣東井集鎮和渾源縣；由陝北紅軍改編而成的第 18 集團軍作為機動兵團部署於蔚縣和淶源縣一帶。
在山西省和察哈爾省分界線以內，晉綏軍第 6 集團軍所部第 33 軍孟憲吉之獨立第 8 旅佈防於忻州市繁峙縣大營鎮；第 34 軍所部姜玉貞之第 196 旅佈防於應縣；第 34 軍所部郭宗汾之第 71 師佈防于山陰縣岱嶽鎮；金憲章的新編第 2 師佈防於繁峙縣沙河鎮；預備軍第 19 軍第 66 師所部陳慶華的獨立第 1 旅佈防於繁峙縣橫澗鄉平型關村一帶。
在大同方面，晉綏軍第 61 軍所部劉譚馥之第 200 旅佈防於大同以東地區；預備軍第 19 軍所部方克猷之獨立第 2 旅佈防於大同，負責大同防禦。
在綏遠方向，晉綏軍第 35 軍所部王子修之新編第 6 旅佈防於興和縣境內；安榮昌的新編第 5 旅佈防於興和縣西南方向的豐鎮縣隆盛莊鎮；趙承綬的騎兵第 1 軍和董其武的第 218 旅佈防於集寧縣、察哈爾右翼中旗、商都縣、尚義縣和化德縣等地；孫蘭峰的第 211 旅與袁慶曾（綏遠省國民兵總司令）指揮的國民兵 6 個團佈防於綏遠省歸綏和大廟（錫拉木楞廟）、百靈廟一帶；由綏西屯墾軍組建的田樹梅第 205 旅佈防於豐鎮縣。
在大同以南地區，王靖國的第 19 軍所部陳長捷之第 73 師佈防於應縣；杜春沂第 66 師所部段樹華之第 209 旅控制朔州市懷仁縣以北；杜堃第 215 旅佈防於代縣雁門關鄉一帶。
由以上部署可以看出，閻錫山對於這次大同會戰寄予厚望，晉綏軍可謂是精銳盡出，主力全部集結於此。此時的中國南方，中日兩軍在上海地區殺得昏天黑地，日月無光，血流成河，而在中國北方，全國的目光都聚焦到了山西，期待著閻錫山可以打敗日軍，守住山西。
然而，閻錫山的計劃做得很好，但是由於不少軍隊都是剛參加完南口張家口戰役，實力下降，還有部分軍隊需要時間集結隊伍開赴戰役位置，因此就需要一支部隊阻擊日軍，為部隊部署到位爭取時間。
如此一來，壓力就給到了負責防守天鎮、陽高一帶的李服膺第 61 軍頭上。為了有足夠的時間部署大同會戰，閻錫山電令第 61 軍軍長李服膺，務必固守三天，掩護大同會戰。得到命令的李服膺深感壓力巨大，但是他沒有辦法，只能硬著頭皮上。
此時的李服膺，用來防守天鎮的兵力滿打滿算只有 5 個團。李服膺根據天鎮的國防工事，進行了以下兵力部署：李生潤第 400 團佔領盤山高地，依託還未竣工的國防工事構築陣地，進行固守；劉庸之第 402 團佔領羅家山陣地，李在溪第 425 團佔領李家寨，高朝棟第 426 團以瓦窯口為據點，在鐵路兩側迎擊日軍；張敬俊第 399 團駐守天鎮縣城，擔任城防守軍。整條戰線從北到南一字排開，形成一字長蛇陣。
9 月 2 日，日軍獨立第 15混成旅團對瓦窯口、羅家山、李家寨陣地發起試探性進攻，並派出飛機助戰。守軍積極抵抗，寸土不讓，頂著強大的火力打退了日軍。日軍進攻被打退後，便派出飛機不斷轟炸守軍陣地，意圖摧毀守軍陣地。
此時的李宏正帶著部隊在林子裡休息，頭頂上每隔一會兒就會飛過幾架飛機。李宏看著天上飛過去的飛機，他已經知道了，日軍已經開始進攻了。今天是 9 月 2 號，按照原本歷史發展，明天察哈爾派遣軍的獨立第 2 混成旅團就會抵達天鎮，天鎮戰役將正式打響。但是李宏他們現在還在察哈爾省內，連天鎮的邊界線都還沒到，而且從今天早上開始，頭頂上不斷有飛機飛過，這嚴重影響了他們的行軍速度。為了不讓頭頂上飛過的日本飛機發現，李宏只得下令部隊貼著樹林走，一旦日軍飛機出現，立即進入一旁的樹林躲避。這樣一來，不但影響了李宏部隊的速度，也使得李宏他們為了躲避日本飛機，不得不繞路走有樹林的地方，增加了行軍路程。
此時的隊伍裡，不少士兵已經有了不滿的情緒，連續地鑽山溝溝，加上身體的疲憊不堪，士兵們心中已經有了一絲不滿，如今為了躲避日軍的飛機，更是如同老鼠一樣，士兵們的負面情緒一下就被放大了。每個士兵的心裡都產生了憤怒，他們以前從沒有像如今這樣窩囊地行軍。以前行軍，就算是打了敗仗，也大多數時候都是在大路上行軍，很少有去鑽山溝溝的時候，如今卻打了敗仗不說，更是連大路都不敢走，在這山溝溝裡鑽來鑽去，士兵們心中都覺得很窩囊，憋著一股怒火。
事實上，不止是士兵，就連劉小偉、羅廣文兩人心裡也都有了意見。
李宏對於部隊裡出現的這種情緒也已經有所察覺，但是此刻他心裡更加關心的是天鎮的戰局，他迫切的想要儘快趕到天鎮，參加到這場戰役裡來。
這時候，忽然從西面傳來了嗡嗡的聲音，李宏立馬意識到，這是日軍飛機的聲音，連忙大聲呼喊：“弟兄們，快進旁邊的樹林裡面躲避，鬼子飛機來了。”
士兵們也聽到了飛機的聲音，在李宏的話剛落下，就迅速躲進了一旁的樹林裡。士兵們，剛進樹林，就聽見了頭頂上的聲音越來越大了，然後西面的天空上就出現了六個小黑點。
天上的正是日軍的 Ki-15 偵察機，也被日本陸軍成為九七式偵察機，是日本三菱重工在 1936 年生產的一款高速偵察機。這款飛機裝備的發動機是 750 馬力，最大航程是 2400 公里，最高速度是 450 公里每小時，最大升限是 11400 米，空載重量是 1400 公斤，可載彈量為 250 公斤，機載武器是兩挺 九八式 7.7 毫米機槍，機身長度 8.7 米，翼展長度 12 米，機身高度 3.35 米，機組成員 2 人。
日軍飛機正在向前飛行，忽然日軍飛行員松田輝似乎是發現了下方樹林的不對勁，連忙用手勢向一旁的領隊長機傳達訊號。沒有辦法，這個時候日軍的飛機裡都沒有裝備無線電，所以各飛機之間的交流要麼靠手勢，要麼在紙板上寫字，大多時候飛行員都會選擇用手勢交流。
領隊長機裡的日軍小隊長看到了松田輝的手勢，松田輝的意思是告訴他下方的樹林裡可能有中國軍隊。日軍小隊長在剛才對中國軍隊的轟炸中表現得非常瘋狂，冒著被陣地上守軍的重機槍擊落的風險，將飛機降低到了 100 米的高度，然後投下了炸彈。如今得知下方的樹林裡可能有中國軍隊藏身，當即下令還有剩餘彈藥的飛機立即俯衝，降低高度，準備對下方的樹林展開掃射。之所以使用飛機上的機槍，那是因為他們的炸彈全部都扔在了他們轟炸的中國軍隊陣地上，現在只剩下機槍裡還有為數不多的子彈。
李宏本以為日軍的飛機會很快過去，結果發現日軍飛機突然開始俯衝。李宏連忙告誡周圍計程車兵，讓他們都全都散開躲好，然後待在原地不要亂動。
天上的飛機很快就降低到了 50 米的高度，然後開始對著樹林進行瘋狂的掃射。“噠噠噠”的機槍聲響起，一顆顆罪惡的子彈發射了出去。飛機裡的機組成員看著子彈發射，臉上露出了猙獰的笑容。
李宏看著日軍飛機降到了 50 米高度，就知道要出事了，隨即就看到一顆顆子彈如同潑水般落了下來，打得樹木火星四濺。
頭頂上的飛機轟鳴聲如同打雷一樣，震耳欲聾，李宏他們都捂住了耳朵。一架又一架的飛機俯衝而下，然後對著樹林掃射。幸運的是這些飛機是剛剛結束了轟炸任務在進行返航，因此他們剩下的子彈也不多，飛機的掃射只持續了五六分鐘就結束了。
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