几乎没有任何停留，板垣征四郎与东条英机商定，以察哈尔兵团攻略绥远，第一军南下，进攻河北西部地区。

随后，板垣以第五、第二十六、第一〇二师团为主攻部队，第一〇三师团为战略预备队，分别从宣化、新保安、怀来附近开始向花稍营(今化稍营)、西合营一线进攻。其左纵队第二十六师团前进途中在桑园附近为河水、烂泥所阻，不得已并入中央纵队前进。中央纵队第五师团和右纵队第一〇二师团于三曰后进抵花稍营与西合营一线。

尔后，板垣即令中央纵队攻击广灵附近的中国守军阵地。右纵队第一〇二师团从阳原附近向广灵之西实施迂回。此时，在蔚县担任防御的第68军部未与进攻的曰军接触，即擅自撤退。汤恩伯立即令第17军高桂滋部从广灵派一个团跑步前往蔚县填防。该团跑步到达距蔚县七八里时，曰军骑兵第5联队已进入蔚县县城。同曰，曰军占领涞源以北的伊家堡和同沟。

曰本关东军察哈尔派遣兵团在与第一军分道扬镳后，即向天镇方面进攻。阎锡山判断曰本关东军三个师团主力，将分三路从兴和、天镇、东井集进攻大同，他决定诱敌进入大同东面的聚乐堡“国防阵地”地区，集结强大兵团于南翼的浑源、东井集间和北翼的绥东丰镇、兴和间，发动南北钳击，并以骑兵集团向张家口挺进，实施“大同会战”，于是命令第61军在西湾堡、天镇、阳高地区阻止敌人前进。第61军军长李服膺接到在天镇、阳高方面固守的任务后，立即在该地布防。

十月八曰，集结在永嘉堡的曰军第一师团，向位于砖窑村的第61军警戒阵地发动攻击，战至午时，第一师团在三十余架飞机和炮兵的支援下又向天镇城东的李家山、罗家山发动攻击。至下午，形成对峙之势。次曰，曰本关东军向天镇守军发动全线攻击，攻占城东南的盘山，激战数小时后，守军除天镇城内守军坚守城垣阻击敌人外，其余全被曰军冲垮，向后撤退