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日军第5师团占领阳原和蔚县后，于9月11日以第21旅团向广灵进攻，先后突破守军汤恩伯部第21师及第73师之防线。第73师伤亡尤重，该师第423团团长吕超然率部对日军反击，壮烈殉国。阎锡山命令第73师撤至广灵以南地区。14日，广灵城被日军占领。日军跟踪追击，15日猛攻广灵南山口。
阎锡山严令第73师坚守广灵南山阵地，不得再退，否则以军法论处。该师长刘奉滨亲自督战，与日军肉搏五六次，并在督战中负伤。全师损失惨重，被迫转移阵地。20日，日军第21旅团向灵丘进攻，突破第73师阵地，占领灵丘城。日军第5师团已迫近内长城附近。
9月18日，阎锡山制订了将日军放进平型关以内，加以围歼的决战计划。
其方针是：诱敌深入至砂河以西地区，从恒山、五台山两方面发动钳击，并截断平型关要隘，歼灭敌军于滹沱河上游盆地里。
作战部署为：平型关方面，以第6集团军总司令杨爱源（由副总司令孙楚指挥）指挥第33军、第17军，布防于平型关、团城口南北之线，右起五台山东北，排列独立第3旅、第73师、独立第8旅，迄于平型关正面；北亘团城口，并列第17军第84师和第21师。以上部队首先凭险阻敌，然后主动向南转移，隐入五台山，作为南机动兵团，待机出击。
在北侧雁门山，以恒山、雁门山为屏障，除第15军布防于恒山外，以第101师在北娄口、大小石口、茹越口之间布防，重点置于茹越口。第19军及第34军（欠第101师）扼守五斗山、马兰口、虎峪口、水峪口至雁门关、阳方口间之线，重点置于代县、雁门关之间。
决战地带在砂河及繁峙城之间，以第34军、第1预备军和第2预备军，加强主阵地防御力量。第35军作为机动兵团在宁武集结，向代县东进，连同第15军为北机动兵团，由傅作义指挥，从繁峙北翼展开。待第200旅将敌诱至繁峙主阵地时，南北机动兵团即对敌人发动围攻。第33军的第85师和第73师抄袭平型关，截断敌人后方联络。
此决战，共投入七个军约八万人，加上进至内长城线的第八路军115师，总共近十万人。
阎锡山对此作战计划和兵力部署十分满意。他说：“给敌人布好口袋阵，让他进得来，出不去。”他派朱绶光赴平型关、团城口、恒山，向孙楚、刘茂恩、高桂滋等传达了以上作战计划。
阎锡山砂河决战计划，把日军主要突击方向判断在平型关（在晋北长城内）。但在平型关方面指挥作战的6集团军副总司令孙楚，则认为日军主要突击方向不在平型关，而在雁门关，攻占灵丘日军只是起牵制作用的游动部队，并非主力，因此不同意把这部日军放进平型关内，而主张以第17军和第33军及第八路军115师扼守平型关、团城口，相机出击，配合雁门关方面主战场作战。
第6集团军总司令杨爱源同意孙楚的意见，并亲自到太和岭口向阎锡山陈述。第19军军长王靖国也赞扬孙楚的见解。因此阎锡山的决心发生动摇，即批准了孙楚的建议，以当时在平型关、团城口的部队固守此地区，并将第17军第21师向北翼延展，与恒山第15军相连接，掩护恒山东侧。
孙楚遵照阎锡山的新指示，向所属各部队发出坚守平型关、团城口并相机出击的命令。但第17军军长高桂滋对此命令却置之不理，仍按照阎锡山原计划，作将日军放进关内打的准备，打算在日军攻击时见机即退。
9月21日，**给第八路军副总指挥彭德怀的电报中说：“阎锡山现在处于不打一仗，则不能答复山西民众，要打一仗则毫无把握的矛盾中，他的这种矛盾是不能解决的。你估计放弃平型关，企图在砂河决战的决心是动摇的，这种估计是完全对的。他的部下全无决心，他的部队已失去战斗力，也许在雁门关、平型关、砂河一带会被迫地举行决战，然而大势所趋，必难持久。”这种分析和预见，实践证明是完全正确的。