9月8日下午，周恩來、彭德懷離開太和嶺口，依閻錫山的建議趕赴大同，與傅作義商量有關事宜。次日，周、彭一行返回太和嶺，閻錫山又主動約見。鑒於日軍此時已重兵壓到晉北一線，閻錫山準備在平型關與雁門關實行重點防守，並要求八路軍與之配合行動。周恩來根據閻錫山在這兩地的防禦部署，建議閻不要單純死守陣地，而應主動出擊，實行側擊和伏擊。同時為了提高八路軍的威信，也給晉軍以一個好的影響，他與彭德懷提出將第115師開到五台、靈丘地區，配合友軍布防於平型關一帶，在側翼伺機殲敵；第120師開到晉西北地區，待敵進攻雁門關時，從側翼進擊，閻錫山對此表示了讚同。
1937年9月中旬，日軍占領大同，山西北部門戶洞開，華北局勢急劇逆轉，原來部署的八路軍作戰地區已經變成日軍的戰略中樞地帶。因此，於9月16日電示周恩來，在此情況下，我3個師已無集中晉東北一處之可能，更無此必要，提出將3個師分散布置在晉東北、晉西北和晉南太嶽山脈。而此時的第115師於8月底渡過黃河，在侯馬因暴雨衝毀鐵路逗留數日後，已開進晉東北地區，於是，周恩來與在9月21日率領八路軍總部到達太原的朱德，在22日傍晚一道乘車去太和嶺口，與閻錫山進行商談，重申了八路軍進行獨立自主的山地遊擊戰的作戰原則，商談了八路軍作戰的地域、軍隊駐紮和兵力使用等問題，周恩來一再申明的作戰方針是持久戰，不是速決戰，主張以廣泛發動群眾、組織群眾和開展遊擊戰來支持長期抗戰。會談之後，閻錫山與周恩來一道在視察雁門關一帶陣地時，周恩來用探詢的口氣問閻錫山：“如果日寇攻到這裏，你準備怎麽打”？閻未正麵回答周的提問，隻是說：“我拚了老命也要保住山西”（南新宇：《周恩來的一生》中國青年出版社1987年版，第223頁）。
9月27日，周恩來在太原致電閻錫山和第二戰區副司令長官黃紹竑，提議：下令平漢退軍轉側麵發展遊擊戰；催桂軍立即北上增援娘子關；督促蔣介石迅速武裝河北民眾，組織河北遊擊戰爭。閻錫山複電表示讚同，並提出“華北局勢日危”，“請將劉師（八路軍129師）早日北開以挽局勢”（《黨史資料專題研究集——抗日戰爭時期》（一），黨史資料出版社1988年版，第7頁）。
周恩來與朱德同閻錫山這次太和嶺口會談後，9月中旬至10月初，八路軍3師部隊陸續進入作戰地區。第115師進入以恒山為依托的晉東北地區；第120師進入以管涔山為依托的晉西北地區；第129師先進入正太線南北地區，然後逐漸向太行山南側轉移。三師部隊在各自所在地區，在正麵戰場的側後立即開展遊擊戰爭，並實施戰略展開，創建抗日根據地，並由此拓展到整個華北，逐漸發揮了山西戰略支點的重大作用。
“七七事變”爆發後，閻錫山禮迎周恩來，並同意改編的八路三師部隊按的要求開赴晉東北、晉西北和晉東南地區，可說是他在“聯共抗日”道路上的又一大進步。盡管這其中有著中日民族矛盾的上升，國民黨蔣介石對日政策的改變，以及他為自身“存在”的考慮等等原因，但他能夠在中國曆史發生大變局的關鍵時刻，采取這些做法，還是值得肯定的。如果不是這樣，而是相反，那麽，八路軍三個師就不會如此順利而迅速地開赴山西抗日前線，配合友軍對日寇的猖狂進攻予以堅決的抵抗，也不可能有以山西為依托的晉察冀、晉冀魯豫和晉綏三大華北敵後抗日根據地的很快建立，從而在戰略上有效地遏製日軍的進攻。所以閻錫山此舉對於中國人民堅持抗戰，並奪得這場戰爭的勝利，在客觀上仍是有著重要的現實意義和深遠的曆史意義的。對此，領導人張聞天曾經說過：“我們承認閻百川先生是在當代政治家中比較有遠見的。不論在過去一段時間內，他同怎樣立於完全對立的地位，想出了各種怎樣的‘防共’的辦法，反對過，然而當日本增兵華北，華北形勢十分緊急的情況下，閻先生就開始把‘防共’的精力轉向‘守土抗戰’，……閻先生的這種變化，是值得我們讚許的”（《解放》周刊，第25期）。
2、“大同會戰”失敗，繼又組織忻口戰役
1937年8月25日、27日，南口和張家口的相繼淪陷，使察南喪失屏障，無險可據，日軍則乘勢突破察省平綏路各據點後，分兵兩路，向晉綏深入，戰火開始向山西境內蔓延。
當日軍占領平、津，兵分三路向華北大舉進攻，其中一路沿平綏路西進，意在奪取山西、綏遠時，8月5日，閻錫山奉蔣介石之命派第二戰區第七集團軍前敵總指揮湯恩伯率部進駐南口，部署防守，以阻止沿平綏路西進之敵。他本想依賴中央軍阻敵於晉省境外，但由於日軍為打開這個平綏路東段的門戶，以實現其戰略意圖，不惜全力瘋狂進攻，而這時，平綏線上的另一軍事重鎮張家口已被日軍包圍，使南口守軍處於腹背受敵的困境，加之指揮作戰的將領一味依重單純性防守，同敵進行陣地消耗戰，援軍又遲遲未能趕到，所以，盡管守軍頑強抵抗，浴血奮戰，仍未能守住。
南口、張家口失陷後，閻錫山判斷日軍將沿平綏路西進，進攻大同，遂命令南口前線各部隊西返大同地區集結，準備與日軍決戰。為此，8月28日，閻錫山乘坐用汽車改裝的鐵甲車離開太原，赴原平，然後改乘汽車到代縣雁門關東太和嶺口，設立行營，指揮作戰。隨同閻的軍政要員有趙戴文、朱綬光、張培梅、王靖國、續範亭等，並由郭宗汾兼行營參謀團主任。次日，閻錫山發表了《告第二戰區前敵將士書》，雲，：“此次戰爭，是國家民族存亡的關頭，非勝不可，應將個人生死利害，置之度外，方能致勝，方能救國”，“錫山定本犧牲救國之決心，領導大家，一致努力，一致犧牲”，“民眾為國家主人翁，武力與民眾結合者必勝，否則必敗”（《閻錫山年譜》（五），第2037——2038頁）等等。並在軍事部署上，鑒於敵我雙方可能於雁門關以北擺開戰場，擬訂了一個“大同會戰”（也有稱“雁北會戰”）計劃。
大同又稱平城，曾是北魏的國都，它處於雁北大同盆地西北部，北有外長城作屏障，西南靠管涔山為依托，東南憑恒山為支持，與平型關遙相呼應。平綏、同蒲兩鐵路又交匯於此，扼晉、察、綏交通要衝，自古就是軍事重鎮，晉北的門戶。如果大同及周邊地區為我所控製，北出外長城，則可製西進之日軍左側背，反之，若大同為敵所占，則可沿同蒲路南下，直撲太原。正因為大同的戰略地位如此重要，所以，閻錫山在製定“大同會戰”計劃時，曾有過這樣的考慮，認為日軍進犯晉北有兩種可能：一是“以一部兵力由蔚縣向廣靈行佯攻，以主力沿平綏路西進奪取大同，以圖切斷我晉綏之聯絡線”。二是“以一部兵力向天鎮行牽製攻擊，以主力向廣靈進攻，企圖截斷我雁門後路”。因而，閻錫山確定了機動的作戰方針，即“以主力配置於天鎮、陽高、廣靈、靈丘、平型關各地區，以一部控製大同、渾源、應縣附近以策應各方之戰鬥，相機轉移攻勢”（《抗日戰爭正麵戰場》（上），第451頁），以達到利用山地殲滅敵人之目的。“大同會戰”計劃製訂後，閻上報蔣介石，得到蔣的批準與鼓勵。蔣同時還答應速將劉茂恩第15軍派往山西，列入第二戰區序列，以作為南口失守後，將湯恩伯3個師拉走調向平漢線的補償。
依此計劃，閻錫山又製定了具體作戰方案。將李服贗第61軍及其他部隊共7個團，附屬一個山炮營，布防於晉省東北邊界的西灣堡、天鎮、陽高等地，拒止日軍西進，掩護大同東麵的聚樂堡主陣地；王靖國的第19軍及其所轄3個旅，附屬山炮團、野炮營又1個重炮連，占領大同東麵30裏的聚樂堡，吸引敵於熊耳山和外長城線間的南洋河盆地；楊澄源第34軍及劉茂恩第15軍為南兵團，以楊澄源為指揮，集結於渾源、東井集間；傅作義第35軍（3個旅共計9個團兵力），及綏遠的兩個騎兵旅、附1個山炮團、1個野炮營為北兵團，以傅作義為指揮，集結於豐鎮，得勝口等地待機。騎兵集團軍趙承綬、門炳嶽部設防於綏東之興和東北地區，劉奉賓第73師在廣靈以北火燒嶺——洗馬溝一線擔任警戒。孟憲吉獨立第8旅設防於雁門關上，辜拯宇獨立第3旅布置在五台、龍泉關間，陳長捷第72師和新編獨立第4旅於鎮河部，編為預備兵團，由閻錫山直接掌握。
閻錫山這樣的計劃，本想將日軍誘至聚樂堡主陣地後，南北兩軍發動鉗擊，合擊於該地區，況且外圍、內線均有部隊策應，似乎勝券在握。
可是，他的計劃迅速被日軍的進攻打破。因為日本關東軍察哈爾派遣兵團，在偽蒙軍的配合下，繼續沿平綏路西進時，除其先頭部隊第15旅團推進至柴溝堡，直指天鎮外，又兵分三路向南向西挺進；一部由張家口趨興和，以圖集寧；一部自懷安逼陽原，進攻渾源；一部從懷安撲蔚縣，直插廣靈。三路大軍分進合擊，對大同乃至晉北形成了包圍態勢，而非像閻錫山當初所設想的日軍可能“以一部主力奪取大同”，或是“以一部主力向廣靈進攻”。
9月2日，日軍第15旅團、混成第2旅團，分別進至天鎮的永嘉堡和史家堡一帶，至此，日軍已進入山西境內。
天鎮是雁北東部的門戶，大同的前哨，正因為如此，所以，閻錫山電令李服贗率部固守天鎮以東盤山迄北之線和天鎮城3天以上，拚死待援；以大同附近之總預備隊相機向天鎮附近推進，而渾源附近兵力也渡桑幹河，向天鎮右翼實行側麵反擊，俟其頓挫，再由天鎮兩翼夾擊之。而也正是因天鎮的戰略地位如此重要，它自然也就成了日軍進攻山西的首選目標。因此，“大同會戰”首先從天鎮拉開帷幕。
從9月3日開始至9月6日，日軍在飛機、大炮、坦克、裝甲車的配合下，先後向天鎮外圍李服贗部駐守的李家寨、羅家山、磚窯村，以及天鎮主陣地盤山，發動了多次猛烈進攻。守軍拚死抵抗，使敵未能很快得手。盤山激戰時，原來坐鎮陽高指揮的李服贗坐臥不安，急率行營人員及直屬騎兵連進駐天鎮城西村莊指揮作戰。閻錫山也急調王靖國第19軍在豐稔山、聚樂堡一帶緊急布防，聲援天鎮，同時向蔣介石致電，稱“鈞座對積極方麵，收複察、平，或增兵固守晉綏，俟敵再度來攻；或消極固守山西，均應有所打算”。蔣回電雲：“敵攻大同時，當由平漢、津蒲兩方麵令衛（立煌）部同時反攻策應，以收複平津及察省也”（張憲文：《抗日戰爭的正麵戰場》河南人民出版社1987年版，第55頁）。盡管如此，9月6日，盤山仍告失守，日軍兵臨城下，李服贗率殘部退往王千戶嶺，天鎮僅留獨立200旅之第299團固守。
9月8日，日軍開始攻城，接連數次，均被守軍擊退，日軍遂改變策略，一麵繼續向城內轟炸，一麵繞過天鎮，奔襲陽高、大同。
陽高城內守軍僅600餘人，況且根本無天險可據，雖經英勇抵抗，陽高也於9月10失陷。陽高失守，天鎮後路被截，李服贗乃下令棄守天鎮。11日日軍占領天鎮，於是，日軍乘勢向大同附近集結兵力。
9月11日，日軍突破聚樂堡附近陣地，機械化部隊直驅大同城外，由於此時配合大同守防的劉茂恩第15軍仍未到達大同布防，城內兵力薄弱，駐軍見大同難以堅守，便於當晚炸毀禦河鐵橋，棄城南撤廣武、雁門關一線。在此狀況下，閻錫山聽從王靖國“大同無死守的價值”的建議，下令棄守大同。日軍原以為大同定有重兵駐守，未敢妄動，隔了兩天，見城內毫無動靜，遂在未受任何抵抗的情況下，於9月13日占領大同，閻錫山的“大同會戰”終告失敗。
蔣介石對閻錫山“大同會戰”的失敗表示了不滿，急電警示閻：“集中兵力於一點，與敵決戰，是失我所長，而補敵短，此非不得已，切勿輕用，弟意晉綏陣地（當）取積極防禦為主也”（《抗日戰爭正麵戰場》（上），第454頁）。盡管迫於南京政府的壓力和國人的譴責，閻錫山不得不“揮淚斬馬稷”，將“大同會戰”之責推給了他的愛將李服贗，並於10月4日將其處決，但此次會戰失敗所產生的不良影響及其嚴重後果，畢竟是難以彌補的。
大同被棄守的第二天，9月14日，日軍又攻陷廣靈。之後繼續向靈丘、渾源挺進。
閻錫山為防止日軍攻占平型關，切斷雁門關的後路，在將其戰區主力全麵南撤至內長城一線後，又根據1927年北伐中與奉軍大戰於靈丘、繁峙間的戰例，提出了把日軍放進平型關以內進行圍殲的計劃，即以逐次抵抗的方式，誘敵深入到繁峙縣砂河以西地區，然後從恒山、五台山兩方麵發動鉗擊，並截斷平型關要隘，會殲日軍於滹沱河上遊砂河——大營間的盆地裏。閻錫山將此戰術稱之為“口袋陣”，要把敵人“放進口袋裏”，給以狠狠地打擊”還頗為得意地說是：“布好口袋陣，讓敵人進得來，出不去”（陳長捷：《平型關戰役中蔣閻軍對日作戰及撤退情況》，《山西文史資料》第14輯，第138頁）。為此，他將內長城防線分為左右兩個地區，以楊愛源為右地區總司令，孫楚為副總司令，轄第33、17軍；傅作義為左地區總司令，轄第61、34、63、19軍，以第71、72兩師為預備軍，並把孫楚、楊澄源、王靖國、傅作義所部，分別布防於平型關、茹越口、雁門關、陽方口方麵；劉茂恩之15軍設防於恒山外側；趙承綬騎兵第1軍之兩個師在神池、朔縣擔任警戒。布防部隊共約六七萬人。
與此同時，日軍也積極部署新的作戰方案，決定采用兩路分進合擊的“鉗形”迂回戰術，以第5師團約萬餘兵力為主攻，以察哈爾兵團約萬餘人為助攻，首先攻占平型關，搶奪南下通道——滹沱河後，繼而以迂回戰術，直撲忻縣，奪取恒山之戰略中樞，將該地區之中隊聚而殲之，然後乘勝南下，直取太原。
閻錫山所以要嚴防平型關，而日軍要首攻平型關，是因為平型關為內長城南端的重要關隘。它位於靈丘縣西南，兩峽穀中縱貫一條大道——蔚（縣）代（縣）公路。公路兩側地形複雜，峰巒迭起，陡峭險峻，地勢極為險要，它又是控製冀、察入晉之交通要道。日軍要由靈丘進攻雁門關側背必經此路。
日軍繼9月14日攻陷廣靈，17日占領渾源，20日攻占靈丘後，21日板垣即命令日軍約4個大隊的兵力，沿靈丘——大營鎮大道，直撲平型關。步兵第21聯隊從渾源出發，攻擊平型關右側。
有鑒於此，閻錫山急調73師、第17軍、第15軍、獨立第3旅占領平型關南之馬跑泉經平型關至東跑池；東跑池經團城口至西河口；大坪村經淩雲口至北樓口之陣地。
9月22日，日軍三蒲21旅團的先頭部隊到達平型關，與擔任修築工事的獨立第8旅展開激戰，次日拂曉，日軍主力四五千人到達，又向平型關、團城口一帶陣地大舉進攻，並以數十輛戰車沿公路向平型關挺進。戰況空前激烈，雙方傷亡慘重，同時，日軍2000餘人又向東、西跑池發起猛烈進攻。