9月3日，大同外围战：天镇附近——盘山、张西河、夏家堡——战斗打响。同一天，察哈尔派遣兵团尽改为蒙疆兵团。以机械化部队酒井旅团为主力，配合以陆空联合作战，而且使用了毒气。守军第六十一军军长李服膺不战而退，被山西执法分监、铁面无私的张培梅正法。新任军长陈长捷率第一○师（李俊功）、第二○一旅（王杰荣）、二○三旅（梁监堂）、独立第七旅（马延守）、第二○○旅（刘馥）苦战八天，突出天镇。
日军紧追不舍！天镇失守后，第七集团军傅作义决心在大同附近与日军决战。便命第十五军王靖国属下：第一九六旅姜玉贞、第二○三旅梁监堂、第二○五旅田汝梅、第二○九旅段树华守大同。一心要保存实力的第二战区司令长官阎锡山以大同地形不宜决战，且广灵、灵邱正受日军板垣征四郎第五师团猛烈攻击，担心后路被切断为借口，反对大同决战。傅作义力谏无效，被迫于9月12日放弃大同。
东条英机蒙疆兵团，兵不血刃占领晋北重镇大同。
东条英机的察哈尔战斗轰动日本朝野！东条的大漠作战路线，塞外荒漠中的快速推进，及蜿蜒六百里的后方联络线、补给站，都是关东军乃至“皇军”作战史无前例的“独创！”，一时间，内蒙战场又升起一颗耀眼的“战星”。连东条英机的死对头、参谋本部作战部长石原莞尔，也对内蒙作战那样敏捷地从热河攻到张家口表示惊佩。因为当初连自称“日本第一军事家”的石原，都趋同众人认为只有沿京绥线进军才是正路。同样骄傲目中无人的石原莞尔私下坚起大拇指：“东条还真行。”