在制訂“大同會戰”計劃時，閻錫山還是比較樂觀的。他判斷，日軍下一步的行動無非有兩種可能：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，奪取大同以圖切斷晉綏之聯絡線;二是以一部兵力向天鎮行牽制攻擊，以主力向廣靈進攻，企圖切斷我雁門關後路。
但這兩種情況，他更傾向於第一種，也就是日軍主攻方向在天鎮、大同。他打算實施機動的作戰方針，那就是——以主力配置於天鎮、陽高、廣靈、靈丘、平型關各地區，以一部控置於大同、渾源、應縣附近以策應各方之戰鬥，相機轉移攻勢。
他設想：如敵以主力進攻廣靈時，該處守兵應固守待援，以總預備隊主力應援該方面之戰鬥……如敵主力進攻天鎮，天鎮守軍拼死待援，大同附近之總預備隊應向天鎮挺進，渾源附近兵力偷渡桑乾河向天鎮右翼實行側面攻擊，以牽制敵人。俟其頓挫，由天鎮兩翼夾擊之。
這一計劃得到了蔣介石的批准和鼓勵，蔣介石還答應速派河南地方部隊劉茂恩的第15軍開往山西，歸閻錫山指揮。
具體作戰方案是：以李服膺第61軍在天鎮、陽高等地設防，佔領既設的“國防工事”，阻止日軍西進，掩護聚樂堡、大同主陣地帶。其任務是沿平綏線節節抵抗，誘敵至大同外圍，由傅作義的第7集團軍和楊愛源的第6集團軍聚而殲之。
負責打頭炮的是李服膺。他的第61軍首當其衝，正面迎敵，對整個防線舉足輕重。一切的關鍵在於，李服膺能否盡最大限度頂住進攻天鎮、陽高的日軍，使主力部隊從容佈防。
李服膺是在匆忙撤退的過程中接到閻錫山令他防守天鎮、陽高等地的命令的。第61軍名義上是一個軍，其實僅有一個師和一個獨立旅，共7個團。況且這點部隊在平綏線上同日軍已有所接觸，雖未大打，但仍受到一定損失。
對於天鎮、陽高等地的“國防工事”，第61軍的官兵十分熟悉，因爲這些工事是一年來他們自己動手修築的——正因爲比較熟悉，李服膺和他的部下才深知其中的利害。施工時，他們從太原只領到很少的材料，鋼筋、洋灰不足計劃準數的1/10，民工工資、兵工津貼被閻錫山百般剋扣。據說閻錫山用它在全國各商埠大做買賣。這種偷工減料做成的所謂國防工事能抵禦日軍的飛機大炮嗎?況且此時還有不少工事未完工，難以使用。有人發牢騷：“做國防工事，不給工具材料，一味剋扣工資津貼，這明明是拿上肉彈頂鐵彈……”
不難設想，當李服膺接到閻錫山“堅守3天，拒敵西進”的命令時，表現出了一定的驚慌。但他信奉“咱不做閻先生不放心的事，不做對不起他的事”這一類的話。倉促中將獨立200旅第400團部署在盤山制高點上，第101師的3個團依次在盤山以北的羅家山、李家山、鐵路兩側至北山瓦窯口一線佈防，第399團負責天鎮城防，第401團駐守在天鎮城外，第414團駐守天鎮以西約30公里的陽高縣城。這樣，第61軍構成了以盤山爲主陣地、由4個團組成第一道防線，以及以天鎮、陽高兩城爲縱深防線的T字形防線。軍司令部駐於陽高縣城內。
據親歷過天鎮之戰的第101師第213旅旅長楊維垣回憶：戰前，李服膺曾親蒞一些部隊講話，號召官兵不怕犧牲，堅守陣地，軍部還印發了《告全軍官兵書》，部隊可以說士氣旺盛，鬥志昂揚。
9月5日，即第61軍進入陣地的第二天，大批日軍尾追而至。開始日軍並未攻擊最爲重要的陣地盤山，而是集中火力攻擊第101師第425團的李家山、羅家山陣地。團長李在溪注意到，日軍這次進攻，並不用慣用的步炮協同的戰術向他們衝擊，而是先以步兵涌至陣地前，誘使他們進入陣地後，敵飛機即低空投彈掃射，然後繼以猛烈炮火轟擊。如此反覆，整整延續了4晝夜。敵步兵根本沒到他們團陣地直接衝鋒，他的1?300餘名的團隊即傷亡官兵700多人，全團9個連長，陣亡3人，傷5人。
李在溪心中十分焦急，前後共給軍長李服膺送去18份緊急戰況報告。40多年後，李在溪回憶道，李服膺和他軍部的全體人員，驚慌失措，整天忙於鑽防空洞躲飛機，他的18份報告，被軍參謀長劉金聲裝入褲袋內睡了大覺。第4天的傍晚，李軍長和他通了電話，說：“你團的情況十分危急，應該給你增調兵力，但目前實在抽不出部隊來，無論如何你要盡力支撐，不能放棄陣地。”
然而，李在溪的直接上司、第101師213旅旅長楊維垣卻回憶說：“此時，軍長李服膺在陽高城內坐臥不安，率幕僚人員與直屬騎兵連進駐天鎮城西村莊，指揮作戰……綜計我101師傷亡官兵共達千餘名。遺憾的是，我旅425團團長李在溪，自始對抗戰抱悲觀消極態度，在陣前竟越過師、旅長，多次徑電軍長請病假辭職。軍長知他無病，覆電責以大義，指示他勉爲其難……該團程琮營被敵人突破一處，全團潰退下來。我嚴令該團立即反攻，雖未完全恢復原陣地，總算穩住陣腳，全線未受嚴重影響……”
可以肯定地說，最初的戰鬥是激烈的。3天過去了，第一線的部隊雖殲敵不多，但傷亡十分慘重，工事悉數被毀。所幸的是主要陣地並未丟失。李服膺在陽高城他的指揮部裏，總算舒了口氣。然而，這時候，他又接到了閻錫山“續守3天，掩護大同會戰”的電令。閻錫山的命令他自然不敢違抗，只好強打精神督促部隊全力堅守，一完成任務馬上撤退。
如果不出意外，再堅守3天估計問題不大。天鎮是雁北地區的門戶，此仗是日本進攻山西的第一仗，如果打好了，誰的臉上都感到光彩。
然而，意外的情況還是發生了。
意外的情況就出在防守盤山的第400團身上。
盤山位於天鎮東南約4公里的地方，是一座高峻險要的山峯，也是天鎮的名勝。站在山頂，既可以俯瞰平綏鐵路，又能屏障天鎮全城。按說日軍要佔領天鎮，必先攻下盤山。
第400團的團長叫李生潤。幾天來，別處都打得很激烈，本來應該首當其衝的盤山主陣地，卻不見日軍來攻。他有些暗暗得意。大約在9月8日的傍晚，李生潤給第425團團長李在溪打電話，說：“團長(李生潤曾當過李在溪的團副)，這幾天你們陣地上很危險吧?我在望遠鏡裏看到了。軍長既無法抽調部隊，我私自抽一個營支援你，如何?”李在溪說：“這怎麼能行呢，抽調兵力要請上級決定，況且你那裏是主陣地，關係重大，千萬不要麻痹大意……你那裏情況怎樣?”“我是高枕而臥，陣地絕無問題。”李在溪囑咐他要提高警惕，決不可輕敵。李生潤滿不在乎地說：“老團長，請放心，我隨時注意着哩!”
就在這天夜裏，大批日軍乘夜色偷襲了盤山陣地。400團倉促應戰，極爲狼狽。守衛主陣地的營長高寶庸被炸死在石洞內。至拂曉時分，該團在付出500多人的性命後，將整個盤山丟失。
盤山一丟，形勢急轉直下。第101師的3個團慌忙後撤，此時這3個團的長官已經掌握不住部隊，殘兵本應退往天鎮城繼續阻敵，他們卻繞開天鎮，從南北兩側繼續向西潰退。
這給了守衛天鎮城的第399團一個殲敵的機會——尾追的日軍誤以爲天鎮是座空城，便高舉太陽旗，列隊進城。大約有近百個鬼子，被潛伏在城內各處的第399團擊斃。團長張敬俊估計日軍遭此意外打擊，必將前來報復，他命令將被擊斃日軍的腦袋砍下來，高掛城頭，激勵士氣，以壯軍威。
果然，不一會兒，日軍的飛機大炮便對天鎮城實施了凌厲的攻擊，步兵發起一輪又一輪衝鋒，第399團堅守一天一夜後，於9月10日退出天鎮。
緊接着是陽高。自從盤山失守後，李服膺的指揮所就撤離了陽高。陽高的城牆年久失修，不少地方順着牆根堆積的磚石即可徒步登城。第414團在軍指揮部撤離後，仍堅守了1天多，團長白汝庸率領官兵與日軍展開巷戰，團副曹靜山、第3營營長都來寶和六七個連排長共200多人戰死。白團長見大勢已去，遂率部撤出。陽高陷落。
撤退的過程是異常混亂的，差不多等於逃跑。這時候李服膺已經無法掌握部隊了。按照第二戰區長官部的部署，第61軍丟失第一線陣地後，應集結殘部在陽高周圍的第二線陣地再抵抗一陣，結果除原防守陽高的第414團外，其餘的6個團皆潰退了。他們更沒有按照閻錫山原定的方案向鎮邊堡轉移，與集結在豐鎮、大同、得勝口一帶的傅作義部會合，而是沿大白登方向一直向南逃，直到過了桑乾河好遠才站住腳跟。
其實從第400團大意失盤山開始，禍根就種下了。
史料記載，當第61軍在天鎮、陽高與敵周旋之時，第7集團軍總司令傅作義曾建議閻錫山進行大同會戰。然而，政治上十分老練的閻錫山軍事上卻優柔寡斷，儘管大同會戰最初爲他提出，但這時候他退縮了。他的理由是：地形不利，援兵未到。僅僅幾天之後，板垣第5師團主力由察南蔚縣進攻廣靈，直奔雁門關後路而來——大同會戰便成了一句空談。
9月13日，大同——這座矗立在御河側畔的塞外古城，東條兵團未損一兵一卒，不費一槍一彈，太陽旗便飄揚在了城頭。
第61軍的潰退，大同的撤守，使平綏線正面失去了防禦力量，晉北門戶大開。
而且，9月11日，日軍擊潰駐守天鎮的第399團佔領天鎮後，大肆燒殺搶掠、姦污婦女，數千名天鎮百姓幾乎無人倖免，其狀之慘，令人不忍聞睹。南京中央社和全國各大報刊紛紛報道了這一消息。天鎮屠城是盧溝橋事變後日軍在華首例大規模暴行。3個月後，又有了更爲慘虐的南京大屠殺。
大同失陷和日軍天鎮屠城震動了南京統帥部和國內輿論。
閻錫山決定放棄“大同會戰”那天，沮喪之際，他寫了一首《棄雁綏工事》詩：
國防大計定當先，臨時決策事難全。
工事費款千餘萬，放棄全由南口牽。
可見，他仍然對南口陷落耿耿於懷，爲他撤守大同尋找依據。
很快，他就感受到了來自南京統帥部和全國輿論的巨大壓力。而且比他設想的要嚴重得多。國人紛紛將矛頭指向他，責罵他畏敵如虎——“似這等戰區司令長官早該撤職查辦，重重治罪，以肅軍紀，以謝國人”。
蔣介石發來電報，斥責他“臨陣慌亂，禦敵不力”。
要求追查晉綏軍失守土之責的電報、信件，雪片一般寄往南京軍委會和閻錫山的太和嶺口行營。閻錫山驚慌了。他對他的參謀長朱綬光說：“娘那個熊!事情弄大了，可怎麼收場?”
也許就在這個瞬間，他想到了第61軍軍長李服膺……
似乎命中註定，李服膺難逃此厄運。
連日陰沉的天氣逐漸晴朗起來，太陽難得露出它固有的模樣，和風徐徐吹來，滿坡已顯發黃的青草輕輕搖擺。在這樣的時刻，站在第二戰區行營的小院裏，能夠清楚地看到不遠處雁門山的巍峨雄姿。身處9月的太和嶺口，原本是一件十分愜意的事情。
這天下午，負責行營人員給養和伙食的第二戰區長官部上尉參謀龐小俠，突然聽到司令長官對王玉林說：“你給我接南京蔣介石的電話，要快!”
王玉林是行營有線電大隊大隊長，負責通信聯絡。電話就在閻錫山的住房裏間，王玉林扯着嗓子叫通南京的電話後，對各處的人員說：“閻司令長官現在和蔣委員長說話。其他電話一律停止。”
說完後，王玉林就退了出來，龐小俠等人也都退到門外。因爲在外面，龐小俠對閻錫山說些什麼聽不清楚，他只清晰地聽到了“軍法從事”四個字。
因爲這幾天行營人員都在議論，第61軍軍長李服膺搞不好要倒黴。所以龐小俠首先想到，可能要對李服膺“軍法從事”。他突然感到有些恐怖。
滅頂之災正像一張黑色的大網，悄悄罩向了李服膺。
在滹沱河南岸，李服膺集結起他的殘部，由廣靈以西經應縣向雁門關轉進。途中，他接到了閻錫山召集各軍軍長開會的電報。他的部下里已經有人預感到可能要出事，輿論對晉綏軍，尤其是對第61軍責罵得非常兇。於是左右的人說：“軍長，後方各地對天鎮的實際戰況不明瞭，難免以訛傳訛，有所指責，目前平型關戰局危機，全局很快將有變化，不如遲幾天去較爲妥當。”
但是，李服膺卻表現得極爲自信，他認爲閻不會委屈他。於是，他騎上戰馬，帶少數隨從，毅然起身去太和嶺口報到。
與此同時，軍部派軍械處長劉樹勳去第400團扣捕團長李生潤。第61軍沒能在天鎮、陽高堅守更長一點時間，與李生潤麻痹大意丟失盤山有極大的關係，如果追究責任，李生潤首當其衝。
然而，李生潤卻幸運地逃掉了——先是被抓獲，而後又被人放掉的。至於是誰放掉的，說法不一。李在溪回憶說，劉樹勳將李生潤捕獲後，送交第213旅旅部，軍參謀長劉金聲念與李生潤是老同事的情面，於李生潤吃飯時故使眼色，李生潤託詞解手，越牆逃跑。賈宣宗回憶說，獨立第200旅旅長劉潭馥(李的頂頭上司)在氣憤不平的情緒下，主使李當場逃走。楊維垣在回憶中引用傅作義的話說：“我當即指示你們副軍長賈學明，馬上先將李團長逮捕解送二戰區軍法總監部。誰知你們副軍長太糊塗，太混蛋，也太窩囊，竟讓李生潤由軍部偷偷換上便衣，化裝逃往西安。”
總之，李生潤是逃掉了。據說他到西安投奔了胡宗南，並改名李德庵。後來他在胡部當上了少將高參。
如果李生潤不逃跑，李服膺的結局會改變嗎?
李服膺23歲那年，被閻錫山派往保定軍官學校學習，從此開始了他的軍事生涯。他最讓閻錫山看重的一件事，也許是曾爲閻從保定軍官學校拉回了張蔭梧、楚溪春、李生達、傅作義等“十三太保”，他被喚作大哥。這些人後來成了閻錫山打天下的資本。20多年來，他一貫唯閻錫山之命是從，是晉軍將領中的“五臺派”，閻錫山的心腹。據說他還是山西省主席趙戴文的義子，與何應欽也有拉扯，他還同唐生智是保定軍校的同窗好友，私交甚好——他同後兩人的交往也許令閻錫山稍感不快。
也有人認爲他長於外交，短於軍事，經常奔走於太原，進行私人活動，很少駐在防地，對所部中級以下官佐大半不相識。在用人上，一貫抓牌子(陸大)、拉關係(同鄉、舊部)，練兵時看表面，作戰時重私情。但這些都無關緊要，在閻錫山眼裏，他是個信得過的親信，這比什麼都重要。
時隔多年之後，已無人能說清李服膺什麼時間到達太和嶺口的。這似乎不重要。重要的是，剛一到達，閻錫山就命人把他扣了起來，押在張培梅的憲兵隊。戰區長官部上尉副官龐小俠念及李與他父親是老朋友，就到設在西樑的憲兵隊看他。龐小俠說：“老伯來了，想吃點啥，你就說吧。”
李服膺只是讓他給找幾本閒書看。他嘴上答應了，回到駐地，根本找不到，也就罷了。
那時李服膺仍然認爲自己不會有事，會長扣起他來，是爲了應付輿論。所以，在外人看來，他並不是很緊張。
他無論如何沒有想到，僅僅半個月之後，閻錫山就把他送上了斷頭臺。
說閻錫山一上來就想處決李服膺，那也不是事實。據衆多的當事者或知情人回憶，閻起初是想包庇李服膺的。日軍在晉北長驅直入，與閻錫山決策上優柔寡斷，避免與日軍主力決戰，有極大的關係。在南京統帥部和全國人民的強烈譴責下，爲了應付國內輿論，搪塞國民黨政府，更主要的是開脫自己的責任，閻錫山找一隻替罪羊，勢在難免。當然也不是說李服膺就沒有責任，第400團大意失盤山，造成整個晉北防線的崩潰，他自然要負一定的責任。
據楊維垣的回憶——有一次，傅作義對他說：“原計劃在大同地區集結各主力軍，準備與敵人進行會戰。先是令61軍在天鎮、陽高固守3天，遲滯敵人的西犯，掩護主力在大同地區之會戰部署，旋又追加固守天鎮、陽高任務3天，共計6天。結果，因爲敵板垣師團過南口後，竟從察南向平型關進犯，直抄雁門後方，以致不得不放棄大同會戰的計劃，分令各軍進關，重新部署作戰，顯得很爲忙亂。你們軍雖然守天鎮、陽高已超過時限，但閻長官認爲還不夠持久，對爾後戰局影響不利，特別是放棄綏東與雁北廣大國土，使國內輿論譁然……當你們軍長被扣起來後，我不止一次地向閻長官進言，盤山永久工事的失守，影響天鎮、陽高防守和爾後戰局，主罪在團長李生潤與其旅長劉潭馥身上。爲了嚴明軍紀，激勵軍心和應付國內輿論，可以殺團長，處分旅長。閻當時同意了我的建議……”
作爲第二戰區執法總監的張培梅此時在幹什麼呢?龐小俠說，那時，不斷有退下來的零散部隊，副官處叫老鄉蒸饃，過來的士兵每人發給5個，傷兵多給幾個，沒有準備菜。一天，一個傷兵在五道廟拉手擲彈炸死了自己。張培梅知道後，把龐小俠叫過去問道：“你們怎麼準備的吃的東西?光吃饅頭不行，小心你的腦袋!”張培梅的意思是給傷兵弄點菜。
那些日子，張培梅的臉色很難看，動不動就發火。
關於張培梅在李服膺這件事上，一直有兩種說法：一是張培梅好殺。他得知李服膺部天鎮潰退、雁北失守的消息後，立即提出應嚴肅軍紀，按戰時軍法處決李服膺。他認爲，面對兇殘及裝備現代化的日軍，中國抗日軍民唯有拼死血戰，不怕犧牲，才能阻止日軍的進攻，對那些作戰中動搖、退卻、執行命令不堅決的軍人應該處決，才能殺一儆百，提高部隊的士氣，否則只能動搖軍心，造成人心渙散，於抗日大局極爲不利，並且對全國其他戰場都產生不良影響。因此，他力排衆議，堅決主張處決李服膺;二是起初張培梅主張處決李服膺，但當他得知天鎮、陽高失守的全過程後，認爲李服膺不是死罪。他向閻請求將李服膺交付他依法處理，閻就是不同意。
雖缺乏權威性的史料記載，但人們越來越傾向於後一種說法——半個月之後，在太原省府大堂，閻錫山於深夜提審並下令處決李服膺時，最有資格坐在大堂之上的第二戰區執法總監張培梅卻沒有到場，也許很能說明問題。
閻錫山終於下定決心處決李服膺。這時他已從太和嶺口回到了太原，內長城一線的作戰已近尾聲，忻口戰役即將開始。日軍飛機開始轟炸太原。一天，一顆炸彈落進綏署大院，炸死了少校副官席向南。日機飛走以後，人們都圍過去，閻錫山也拄着柺杖出來看了看。他的臉色十分冷酷。
促使閻錫山儘快動手的原因主要有四個：一是李服膺的老同學、現任南京軍事委員會執法總監的唐生智來電，要求將李服膺押解至南京審理。如果將李服膺放走，那麼，雁北的那些偷工減料的工事就會大白於天下。不如先斬後奏，滅口了事;二是蔣介石緊緊盯住不放。據說湯恩伯也在蔣面前狀告李服膺於平綏線作戰不力，使湯部蒙受重大損失，更使蔣對他感到惱火;三是輿論壓力太大，不殺他個把軍師旅長難以應付;四是借李服膺的人頭警告晉綏軍的將領，以制止潰逃之風。
10月2日夜，11點多鐘。這天晚上，輪到剛剛接替席向南升爲少校副官的龐小俠擔任值日官。聽到閻錫山要夜審李服膺時，他頗感吃驚。
一輛汽車悄悄停在省府大堂門口，憲兵從車上押下李服膺。他並沒有被捆綁。一進大堂，李服膺驀然發現大堂內設有公案，兩旁憲兵肅立，氣氛陰森恐怖，頓時呆住。他嘟囔道：“這是幹啥?”擔任陪審官的副官處處長謝濂說：“會長一會兒要和你談，你且等等。”
未幾，閻錫山從裏邊走出。他雙手撐在公案上，兩隻鷹隼一樣的眼睛盯住李服膺，低聲說：“慕顏，從你當排長起，一直升到連長、營長、團長、師長、軍長，我沒有對不起你的地方，但是你卻對不起我。第一，你做的國防工事不好;第二，叫你死守天鎮、陽高，你卻退了下來……”
李服膺插話說：“讓我守6天，我守了6天，我有電報……”
“你胡說!”閻錫山逼視着他，頓了頓，“你的家，你的孩子，有我接濟，你不要有顧慮。”
李服膺這時流下了眼淚。閻錫山朝周圍的人點點頭，快步離開。謝濂說：“慕顏，你還有什麼家事，可以告訴我。”李服膺氣憤地把帽子往地下一摔：“那還說球哩!”
有人上前捆他，謝濂制止：“那像什麼樣子。”於是沒有捆，只把繩子搭在李服膺的肩上。上車後，他對謝濂和憲兵司令張建說：“爲啥這樣糊里糊塗地殺人，使我死得不明不白?”
車到小東門大教場，他們下車。憲兵司令張建跟着李服膺往前走，還沒走到放棺材的地方，張建往一邊讓了讓，負責行刑的綏署警衛連長康增從背後一槍將李服膺打倒在地。黑暗中看不清他臨死時的模樣。
連續幾天，全國各主要報紙都在顯著位置登載了敗軍之將李服膺被懲辦的消息，閻錫山贏得了一片讚譽之辭——鐵面無私、執法如山、秉公辦案、閻長官“揮淚斬馬謖”……這一招很靈，李服膺一死，幾乎所有的責難都化解了。
李服膺是抗戰爆發後第一個被處決的國民黨高級將領。3個多月後，山東省主席兼第五戰區副司令長官韓復榘在武昌被處決。有意思的是，這兩人終年都是48歲。在抗戰初期，他們的死都曾轟動一時，使全國抗日軍民的士氣爲之一振。
罪名一樣，死法一樣，內情卻有別。1938年1月28日，上海《新聞報》發表評論說：“中國自作戰以來，死法雖然不同，我國已死了不少的抗日將領，趙登禹、佟麟閣、郝夢齡之死，人人爲之掉淚，朱耀華(第18師師長，淞滬會戰中兵敗自殺——筆者注)之死，尚有人爲之惋惜，李服膺之死，亦尚有人爲之代抱不平，只有‘青天草包’(指韓復榘)之死，人們卻認爲是死得應該的。”
50多年來，國內一些公開的出版物上，包括一些權威性的文章，在提及這段歷史時，大都把李服膺和韓復榘視爲同類。而日本防衛廳研究所戰史室編著的《中國事變陸軍作戰史》一書中卻這樣寫道：“從9月5日開始攻擊……天鎮縣城之敵仍舊孤立而頑強地進行抵抗，沒有退卻，11日(日軍)才攻佔縣城。”
歷史在這裏留下了遺憾。
1937年9月中旬，放棄了“大同會戰”的閻錫山不得不面對一個更爲嚴酷的現實，日軍精銳的第5師團像從地底下突然鑽出來似的，直趨內長城沿線的一個重要關隘平型關。後來被海峽兩岸的戰史學家皆認可的“太原會戰”，從大同失守的那一天起便開始了!
