民國二十六年九月底，平津戰場的僵局如同燒紅的烙鐵，燙得日軍大本營坐立難安。二十五萬大軍被死死牽製在北平城郊，傷亡突破八萬，卻連半步都未能推進，反而被李辰的精準打擊與第四師團的“假戰貿易”搞得士氣低迷、補給紊亂。日軍高層深知，再在平津死磕下去，隻會徒增傷亡，徒耗國力。
“平津的支那人防線過於堅固，李辰的部隊裝備先進、戰術靈活，短期內難以攻克。”東京大本營的作戰會議上，參謀總長閒院宮載仁親王沉聲道，“不如避實擊虛，挑選一處防守相對薄弱的目標，打開華北戰局的突破口！”
目光很快聚焦到山西——閻老西的晉綏軍雖有一定戰力，但相較於平津的華夏聯軍，裝備與協同作戰能力都稍遜一籌，且山西盛產煤炭、鐵礦，是重要的戰略資源地，拿下山西，既能切斷中方的資源供應，又能迂回包抄平津防線，可謂一舉兩得。
日軍當即敲定作戰計劃：兵分兩路，一路由寺內壽一率領十餘萬大軍，繼續在平津原地牽製李辰與宋哲源的部隊，擺出強攻姿態，使其無法抽身西援；另一路由香月清司率領第5師團、第10師團、第20師團及幾個獨立混成旅團，共計13萬大軍，向西直撲綏遠，再南下進攻山西，目標直指閻老西的北大門——大同。
九月二十五日，香月清司率領西路日軍，在飛機、坦克、重炮的掩護下，向綏遠發起猛攻。綏遠守軍兵力薄弱，裝備陳舊，麵對日軍的鋼鐵洪流，雖拚死抵抗，卻難以抵擋。日軍憑借壓倒性的火力優勢，一路勢如破竹：九月三十日攻克集寧，十月五日拿下呼和浩特，十月十日占領包頭，短短半個月內，綏遠全境失守，日軍兵鋒直指大同，山西門戶洞開。
消息傳回太原，閻老西如坐針氈。大同是山西的北大門，一旦失守，日軍便可長驅直入，直逼太原，整個山西將無險可守。他當即下令，調集十萬晉綏軍精銳，由名將傅作億統領，火速進駐大同，構築防禦工事，死守這道生命線。
傅作億果然不負眾望，抵達大同後，立刻展開防禦部署。他依托大同周邊的山地、長城等天然屏障，構建了三道防線：前沿陣地部署步兵與反坦克炮，利用地形阻擊日軍衝鋒；中部陣地配備迫擊炮與重機槍，形成交叉火力；後方陣地則部署少量預備隊，隨時準備增援。同時，他還組織百姓搶修工事，挖掘戰壕、布置鐵絲網與地雷，一時間，大同城外壁壘森嚴，眾誌成城。
“大同是山西的屏障，也是華夏的門戶，我傅作億在此立誓，與大同共存亡！”傅作億站在長城之上，對著麾下將士高聲呐喊，士氣如虹。
閻老西也咬牙拿出壓箱底的家當，將從李辰處購買的部分37毫米防空炮、105毫米重炮調撥給大同守軍——這些武器此前多被他部署在太原等核心重地，如今大同危急，不得不忍痛調出。但即便如此，大同守軍的重武器數量仍遠遜於日軍：日軍僅150毫米以上重炮就有40餘門，坦克裝甲車近200輛，還有兩個航空大隊的戰機提供空中支援；而大同守軍的105毫米重炮僅有12門，37毫米防空炮不足20門，反坦克武器更是匱乏，麵對日軍的裝甲集群，幾乎沒有有效的反擊手段。
十月中旬，日軍兵臨大同城下，一場慘烈的攻防戰正式打響。板垣征四郎下令發起猛攻，日軍的重炮對大同前沿陣地展開地毯式轟炸，炮彈如同雨點般落下，長城牆體被轟得磚石飛濺，戰壕被填平，鐵絲網與地雷區在炮火中化為焦土。隨後，坦克集群轟鳴著衝向陣地，履帶碾壓著焦土，車載機槍瘋狂掃射，日軍步兵如同潮水般緊隨其後，發起一波又一波的衝鋒。
傅作億沉著指揮，晉綏軍將士依托工事頑強抵抗。士兵們用步槍、機槍對著衝鋒的日軍猛烈射擊，用手榴彈炸毀日軍的坦克履帶，甚至抱著炸藥包與日軍坦克同歸於儘。37毫米防空炮也調轉炮口，平射日軍坦克，接連擊毀了十幾輛日軍94和97式坦克。
“守住陣地！給我打！”一名營長身中數彈，仍拄著步槍指揮戰鬥，直到最後一刻倒在戰壕裡，手中還緊握著引爆手榴彈的拉環。
日軍的進攻異常凶猛，飛機頻繁轟炸，重炮持續轟鳴，坦克集群反複衝擊。晉軍將士雖奮勇抵抗，但裝備差距懸殊，傷亡不斷攀升。前沿陣地多次易手，士兵們在彈藥用儘後，便拿起刺刀與日軍展開白刃戰，長城腳下，屍橫遍野，鮮血染紅了城牆與土地。
傅作億心急如焚，多次致電閻老西請求增援，同時也向李辰發去求援電報：“李將軍，大同危急！日軍兵力雄厚，裝備精良，我軍傷亡慘重，急需支援！望將軍念及抗日大義，抽調兵力馳援大同，共守山西門戶！”
收到傅作億的求援電報時，李辰正在北平前線指揮作戰，心中滿是焦急與無奈。他何嘗不想馳援大同？山西是華北的戰略腹地，大同失守，不僅閻老西危在旦夕，平津防線的側翼也將暴露在日軍麵前。可現實是，他實在無兵可調。
第十九集團軍的陸軍主力共12萬人，其中5萬人需駐守魯南、膠東等山東核心區域，防範日軍從青島、連雲港登陸，確保後方基地安全；剩餘7萬機動兵力中，近5萬人部署在平津前線，與日軍十餘萬大軍對峙，經過數月苦戰，將士們早已疲憊不堪，傷亡也達到了8000餘人，根本無法抽調大規模兵力西援；宋哲源的二十九軍，從開戰初期的10萬人銳減至6萬人，同樣是疲憊之師，僅能勉強守住平津防線，無力分兵。
唯一的希望，是六月份以來擴招的新兵。早在六月，李辰便預料到中日大戰將是持久戰，兵力消耗必然巨大，於是以招募“警察”為名，在山東及周邊地區擴招了10萬青壯年，再加上係統補充的近2萬紅警戰士，共計12萬新軍。但新兵需要訓練才能形成戰力，尤其是紅警戰士雖戰力強悍，卻需熟悉當前戰場的戰術與裝備；而普通新兵更是要從基礎的隊列、射擊、戰術學起，即便有係統輔助的速成訓練，也至少需要半年時間。按照計劃，這12萬大軍最快也要到1938年初才能完成訓練，具備上戰場的能力。
“傅將軍，並非我不願馳援，實在是兵力枯竭，分身乏術！”李辰回電傅作義，語氣沉重，“我已下令戰鬥機支援你們，臨沂兵工廠優先趕製反坦克炮與彈藥，儘快運往山西支援；待明年初新兵練成，我必率大軍西援，與晉綏軍並肩作戰，收複失地！”
閻老西也收到了李辰的回電，深知李辰的難處，隻能咬牙下令傅作億“死守到底”，同時抽調太原周邊的少量兵力馳援大同，但這些兵力杯水車薪，根本無法改變戰場局勢。
大同戰場的激戰持續了整整一個月。傅作億率領晉軍將士，憑借頑強的意誌與靈活的戰術，多次擊退日軍的猛攻，給日軍造成了沉重打擊。日軍的坦克被炸毀50餘輛，戰機被擊落20餘架，士兵傷亡超過2.5萬人，接近一個完整師團的兵力，香月清司也因戰事不利，多次遭到大本營的斥責。
但晉軍的傷亡更為慘重。十萬大軍，經過二十多天的苦戰，傷亡超過4萬人，剩餘將士也已疲憊不堪，彈藥用儘，糧食短缺。11月中旬，日軍終於突破了大同的最後一道防線，攻入城內。傅作億率領殘軍與日軍展開巷戰，逐街逐屋爭奪，直到傷亡過半，才被迫率領剩餘將士撤出大同，向太原方向突圍。
11月十五日，大同宣告失守。消息傳來，全國震動。山西門戶洞開，太原直接暴露在日軍兵鋒之下，華北戰局愈發嚴峻。
香月清司和第5師團長板垣征四郎站在大同城頭，看著城下的屍山血海，臉上沒有絲毫喜悅。這場勝利，代價太過慘重，2.5萬精銳的傷亡，讓他的部隊元氣大傷。
太原城內，閻老西看著大同失守的戰報，老淚縱橫。他知道，接下來的太原保衛戰，將更加艱難。
北平前線，李辰站在作戰地圖前，手指重重落在大同的位置，眼中滿是凝重。大同失守，雖在預料之中，卻仍讓他心痛不已。4萬晉綏軍將士的鮮血，換來了日軍2.5萬的傷亡，這個傷亡比，在當時的戰場已然算是“可接受”，但山西局勢的惡化，無疑給整個華北抗戰蒙上了一層陰影。
“傅將軍打得英勇，晉軍將士都是好樣的！”李辰對著身邊的參謀說道，“命令兵工廠，將本月生產的一些反坦克炮、迫擊炮，全部運往山西；在額外藥品、彈藥，支援晉軍！”
他深知，接下來的幾個月，將是抗戰最艱難的時期。平津戰場的日軍仍在牽製，山西的日軍虎視眈眈，淞滬戰場的激戰也進入白熱化，而他的新兵還未練成，隻能指望閻老西、韓複渠、商震、八路軍和楊虎成了。