张家口、南口失利，使察南顿失屏障，无险可据，察哈尔全省便不费吹灰之力，迅速为日军所控制。东条英机乘胜之势，全然不理会“中央的指示”，立即网罗汉奸走狗，打出了察南自治政权的牌子。
1937年9月1日，蒋介石电令阎锡山以及第二战区各部：“张（家口）垣与南口即失，各部队损失甚重，……请从速作固守晋绥之部署。”要求部队振作士气，积极在绥北、绥东布防，“万一绥远有失，则全局不堪设想，不特晋失屏障而已。”“山西王”阎锡山自然比别人更清楚山西对于他的意义，也急忙作出部署：傅作义第七集团军以大同为重心布防；杨爱源第六集团军以浑源为重心；汤恩伯部退守蔚县、广灵、涞源。
“马不停蹄，直奔大同，不给败军以喘息机会！”攻下张家口，东条英机立即把他的司令部迁到城里。贪得无厌，抢头功心切，在张家口稍作短暂停留给养补充完成之后，立即挥军直指晋北重镇大同。
南口战事后，担当攻击主力的关东军独立混成第十一（铃木）、第一（酒井）旅团归还关东军建制，编入战斗序列，归东条英机指挥。
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。