9月28日，第二战区司令长官阎锡山从岭口来到大营指挥作战。他在大营与杨爱源、孙楚、傅作义等研究了一个在平型关外与日军决战的计划，要求第73师和第71师坚守平型关东翼和迷回原有阵地；第61军、第35军、第33军密切协同，向平型关外出击，围歼日军于蔡家峪以南地区；3个军的主力出击以后，守备平型关与迷回地区的部队作为第二线兵团，向蔡家峪、东河南推进。并作出了各军出击的具体作战计划。
决战计划决定以后，傅作义急调第35军速到平型关前线参战。但是就在这天早晨，进攻茹越口的日军混成第15旅团将守军冲垮，占领了茹越口。在此防守的第203旅旅长梁鉴堂率1个营的预备队向日军反冲击，企图恢复山口，但因兵力太少，该营大部被日军杀伤，梁旅长也在重伤后阵亡。29日，日军向铁甲岭守军阵地攻击。守军顽强抵抗。当日上午11时，铁甲岭阵地被日军突破。第34军向繁峙撤退。第19军军长王靖国仓促命令在雁门关右翼防御的独立第2旅抢占五斗山，侧击茹越口之敌。但该旅在五斗山立足未稳就被日军冲垮西退。日军随即展开追击，当日夜占领了繁峙县城。在城内的第34军军部退到峨口。这时正在东进的第35军先头部队第218旅已过繁峙城到达砂河，后续部队第211旅到达繁峙城南受敌袭击，独立第7旅被占领繁峙的日军隔于代县方面。
9月30日深夜，阎锡山在砂河镇南一个小村庄里召集前方高级将领会议，研究作战方案时接连得到平型关前线的紧急报告，说敌人逐渐向平型关南翼白崖台、东长城村方向移动，似有进攻第73师阵地的动向。又接到了代县王靖国的紧急报告：从五斗山反攻铁甲岭、茹越口的方某所率旅溃回代县；正调雁门关以西的段树华第７２师前来代县，并留马延守旅在代县。阎锡山被阻隔在繁峙以东，已为其退路徨。他深恐新辟的峨口至五台山土公路沦于敌手，无法退走，因此对与会的将领说：“我看这种形势，已无法补救了，拖下去要更不好。星如(杨爱源字)、宜生(傅作义字)，就下令全线撤退吧!”〔6〕
散会以后，阎与杨爱源、傅作义、孙楚商议，决定内长城防线上的各军向五台山、云中山、芦芽山之线转移，集中主力于忻县、忻口间组织防御，保卫太原。当日夜，阎在第35军第211旅于峨口的掩护下退到台怀镇。
第6集团军总司令杨爱源转令各部队按下述部署行动：
(一) 独立第3旅(欠第6团)经上下孤庄、齐城村、后所村、东西连仲，向大柳树、白波头、石堂沟之线占领阵地，掩护军之转进；俟友军占领阵地后，撤守里南沟、土黄沟、长城岭、大地里之线。
(二) 第211旅经马家庄、小柏峪、口子上，向大湾村、麻地坪及其西方高地之线占领阵地，掩护军之转进；俟友军占领阵地后，向窦村镇附近集结待命。
(三) 第218旅(附炮兵1营，缺炮5门)经齐城村、大营镇、贾家井、东山底，向石炭里、寺子上北方高地之线占领阵地，掩护军之转进，俟友军占领阵地后，向窦村镇附近集结待命。
(四) 第73师由现阵地经马跑泉、东水沟、大柳树、北禅房，向神堂堡及其西北一带高地转进，占领阵地，构筑工事，尔后到台怀镇附近集结待命。
(五) 独立第8旅附新编第11团由现地经齐城村、大营镇、石河村、天岩村、茶房子、山羊会到狮子坪附近集结待命。
(六) 第72师由现地经齐城村、后所村、小店村、马家庄、小柏峪、口子上，向车厂、茶房子之线转进，占领阵地，尔后退据红庵村、罗圈、山羊会之线，构筑坚固阵地。
(七) 第17军由现地经大营、马家庄、小柏峪、口子上、车厂、麻子山、军马厂到台沟集结待命。
(八) 第71师附新编第2师由现地经涧头村、前所村、东西连仲、白波头、大寨口、神堂堡、口泉、罗圈、军马厂、台怀镇，向五台山附近集结待命。
(九) 第15军由现地分下列三路线向延检寺、葫芦嘴、楼圪梁及其西方5公里之高地之线占领阵地：1．羊圈村、红水北岸、交河南岸、贾家井、东山底、簸箕窟道路；2．义兴寨、代堡、中庄寨道路；3．后河村、果园村、大宋峪道路。
(十) 炮兵由刘振蘅副司令商请傅总司令，分属各师、旅，随同行动。炮兵第24团、第27团，除各以一部由高斌营长节制、归第218旅董其武旅长指挥、留置东山底附近高地占领阵地外，余部均赴窦村镇整理。
各部队遵令于１０月１日凌晨2时开始行动，当天先后到达指定之线。
阎锡山在命令各军撤退转进的同时，还作了以下部署：
第18集团军第115师以五台山为根据地，向平型关外的灵丘、涞源活动。章拯宇独立第3旅警戒龙泉关，与河北第一战区相联系，为东翼。陈长捷第61军附李俊功第101师守备五台山，王靖国第19军附姜玉贞第196旅守备崞县、平原间，为正面；赵承绶骑兵军附马延守独立第7旅警戒宁武、轩岗间，和第18集团军贺龙第120师以五寨、神池为根据地，向雁门关外朔县、神头一带活动，为西翼。
以上部署的实施，形成五台山、云中山、芦芽山和其间的盆地互相呼应的一道前进地带，并以此作为忻口战役的决战线。
阎锡山设在雁门关上的第二战区行营由参谋长朱绶光率领，连同在押的原第61军军长李服膺（因守天镇不力，被撤职查办）均回太原。杨爱源的第6集团军总司令部亦退到太原。傅作义的第7集团军总司令部退至忻县，指挥转进到达的各部队在忻县、忻口地区集中部署。
在平型关战役进行的过程中，日本关东军独立混成第1旅团于9月20日在右玉附近集结，26日向朔县转进，在平鲁、井坪镇曾与当地守军发生战斗，尔后在28日占领朔县，10月2日占领宁武城。该日军旅团于3日接到向归、绥前进的命令，于是除留一部归“华北方面军”指挥外，主力集结朔县，准备北进绥远。
内长城防线上的中国守军撤退以后，日军第5师团长令第21旅团在大营镇附近集结，在涞源地区的步兵第9旅团(欠1个步兵大队)已于9月28日向保定转移，10月6日进到保定及高碑店附近，占领繁峙的独立混成第15旅团于30日占领代县。
中国空军北（正）面支队在平型关作战期间曾多次轰炸日军。9月19日，为支援地面部队作战，以30架飞机轰炸及扫射日军，炸毁日军大批重型装备。同日，在大同和太原上空的空战中还击落日机2架，击毙日集成飞行团侦察机中队长长平长一大尉。
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