关东军察哈尔兵团得大同后，偏师继续沿平绥线西进，进兵包头。却以主力部队独立混成第一、第二、第十五旅、堤支队、大泉支队、萱岛支队，分以酒井镐次少将、关龟治少将、篠原诚一郎少将、堤不夹贵中佐、大泉基少佐、萱山鸟高大佐六人为指挥官。六支军合步兵八个团、骑兵二个团、炮兵三个团，其余工兵、辎重兵、战车兵各一个团，辅以装甲汽车队、机关枪部队并特种兵若干，步骑工炮约五万人，由大同沿津浦铁路南进，直扑内长城线咽喉通道阳方口。又分兵进攻雁门关、茹越口，并虚攻内长城线其余各口。
板垣第五师进至平汉线保定附近后，又由平汉线转平绥线，车运至怀来、张家口，沿原道再进兵晋东北，夺占蔚县、广灵、浑源、灵丘，欲夺占平型关、繁峙、团城口，绕攻雁门关，与关东军察哈尔兵团合力，共取忻口、太原，夺占山西全境。板垣第五师下辖步兵十六个营，重炮九十五门，战车兵一个团，另附特种兵若干，步骑工炮合约三万人，连同察哈尔兵团主力，入晋日军合拥八万人，号称十万。两支军由板垣统一指挥作战。
第二战区司令长官阎锡山坐镇太原，得报日将板垣统所部第五师并关东军察哈尔兵团六支军，步骑工炮合五个旅十万人，分为两路，一路沿同蒲路正面而下，一路由晋东北蔚县、广灵、浑源、灵丘大道，向侧翼包抄，皆扑向内长城线各口。大惊，急召诸将开会。诸将得报晋北、晋东北门户洞开，日军十万，分两路蜂涌而来，尽皆相顾失色。半日无人发表意见。