当日军第5师团进攻广灵、灵丘，指向内长城线之际，阎锡山制订了一个把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。据此，阎又按他的决战设想，再次调整军队部署：在平型关正面，以第6集团军总司令杨爱源(由孙楚副总司令负实际指挥之责)指挥第33军、第17军，布防于平型关、团城口南北线上，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军的第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，成为南机动兵团，待机出击。在北侧雁门山，以恒山、雁门山为屏障，除控制第15军于恒山外，以第34军在北娄口、大小石口、茹越口之间布防，重点置于茹越口。以第19军及第34军扼守五斗山、马兰口、虎峪口、水峪口至雁门关、阳方口间的一线阵地，重点置于代县、雁门关之间。第35军控制于阳明堡，对雁门关作重点策应。在砂河及繁峙城之间的决战地带，以独立第200旅残部在砂河镇东占领广大正面，对平型关方面侵入之敌逐次抵抗，诱敌向繁峙城深入。预备军在繁峙城的南北线上，以五台山的北台顶、繁峙城垣、恒山顶为支撑点，吸引敌军至主阵地前，以利于南、北机动兵团的夹击。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前时，南北机动兵团立即对敌发动围攻。第33军的第85师和第73师抄击平型关，截断敌人的后方联络。
阎锡山对以上计划部署十分得意，自诩为：“布好口袋阵，让敌人进得来，出不去。”他派高参前往平型关、团城口、恒山，向孙楚、刘茂恩、高桂滋等传达指示；又把屡违节制、不肯力战的李服膺军长从砂河召到行营拘押起来，传令各军，以肃号令。
当时已经到达山西前线的第８路军副总指挥彭德怀将阎锡山的上述决心报告了中共中央。毛泽东于9月21日给彭的电报中说：“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，他的军队已失战斗力，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。”这种分析与预见，实践证明是完全正确的。
阎锡山的砂河决战计划，是把日军的主要突击方向判断在平型关。但是，在平型关方面指挥作战的第6集团军副总司令孙楚认为日军的主要突击方向不在平型关，而是在雁门关，当前向灵丘进攻的日军只不过是一支起牵制作用的游动部队。因此，他不同意把据灵丘的日军放进平型关内，而主张以第17军和第33军，以及已经进入平型关附近的第18集团军第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，并亲自到岭口向阎锡山陈述。第19军军长王靖国也极力赞扬孙楚的见解。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、团城口的部队固守这一地区，并将第17军的第21师向北翼延展，与恒山第15军相连接，掩护恒山东侧。孙楚遵照阎锡山新的指示向所属各部发出坚守平型关、团城口并相机出击的命令。然而第17军军长高桂滋对命令采取置之不理的态度，仍按照阎锡山的原定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。
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