正当淞沪会战打得如火如荼的时候，日军在淞沪战场以绝对压倒优势的战局，打得国军只有招架之力。或许受淞沪战场的刺激，北方战区也迅速完成了进攻山西的新的作战计划。日军中国占领军最高长官东条英机受大本营指派，在天津召开了蒙疆占领军、华北占领军联合作战会议。

军事会议结束，日军大本营严令蒙疆占领军于9月15日发动察哈尔会战，务必于10月20日占领察哈尔。严令华北占领军于九月25日发动娘子关战役，同时要求11月中旬发动太原会战，争取明年二月底完成整个山西的占领。军事会议结束后，蒙疆占领军更名为第一方面军，司令官仍然是西尾寿造大将。华北占领军更名为第二方面军，司令官是寺内寿一大将。

日军第一方面军下辖野战第一军、第二军、第三军。第一军军长川谷有介，下辖第2师团，第8师团、第18师团，第12师团，总兵力十万人。第二军军长寿山谷，下辖第5师团，第22师团，第55师团，第20师团，总兵力十万人。第三军军长大平正方，下辖第25师团，第26师团，第42师团，总兵力8万人。

其中战车第一师团，独立第一骑兵师团，草原复国骑兵军划归司令部直接指挥。另外，从东北新调来的第4，第8重炮旅同样划归司令部指挥。为了加强空中打击力量，为了有效的配合地面进攻，多伦野战机场进驻500架作战飞机，实施空中打击。日军第一方面军总兵力为36万人。

日军第二方面军下辖第四军、第五军、第六军，第四军军长高仓浩二，下辖第4师团，第9师团，第17师团，第21师团，总兵力十万人。第五军军长大岛川雄，下辖第28师团、第三十一师团，第三十三师团，第四十师团，总兵力十万人。第六军军长宫本一郎，下辖第23师团，第49师团，第58师团，第105师团，总兵力十万人。其中战车第一旅团从国内调来，第2、6重炮旅将配合娘子关方面作战。

日军第二方面军第四军、第五军，将投入娘子关方面作战，第六军担任安徽和河南方向的警戒。另外，日军在北平南苑机场投入300架远程轰炸机配合地面作战。同时日军在石家庄迅速开辟了一座小型野战机场，主要是布防战斗机，其目的就是为轰炸机护航。日军投入娘子关方向的作战，总兵力为23万人。

9月15日凌晨，日军出动北平南苑机场的远程轰炸机，首先对天镇防线展开狂轰滥炸，继而日军第8师团、第12师团、第18师团率先在长达50多公里的防线发动急攻。由于第2师团正在恢复期，暂时作为预备队使用。日军在这个进攻方向没有投入战车装甲部队，原因是这条防线是山地，坦克装甲车根本施展不来。

一开始战况就十分猛烈，大同北方战区司令部，滴滴答答的电报声不绝于耳，作战参谋不住的接听电话，随时掌握前线的消息。此时，傅作义望着地图有些焦急说：“难倒我们判断错了，日军重点进攻是天镇、大同方向？林十分冷静说：”我敢断定日军发动的是佯攻，他的意图是调动我们的兵力。你看日军调动了三个师团在50公里长的防线发动急攻，这完全不是日军的作战特点，而且出动全部的远程轰炸机展开空袭，目的非常不明确，最起码他应该选择一处突破点，因此我认为日军的进攻重点仍然是察哈尔方向，日本人的意图就是让我们产生误判。”

傅作义说：“林副指挥，你说得有道理，我也感觉日军突然发动的攻势太猛、太急，有些不合常理，完全失去日军进攻的风格。既然日本人让我们上钩，我们必须做出姿态。电令新三军，派出多股部队，摆出向南开拔的迹象，我想日军的侦察机很快就会发现这个情况。”

太原司令部，彭德怀说：“穆司令，明显看出日军发动的是佯攻，是否把这个情况通报北方战区司令部。”穆亚平说：“我们应该相信北方战区指挥官的判断能力。”话音刚落，北方战区的电报便到了。穆亚平看完电报说：“彭总，他们和我们的看法一样，认为日军发动的是佯攻，他们进攻重点依然是察哈尔防线。”彭德怀说：“日军在天镇防线发动进攻，也有试探虚实的目的，同时积累山地作战的经验。”

穆亚平点点头说：“彭总你分析一下，日军在天镇方向摆上四个师团，一方面造成大兵压境的局势，即便是佯攻也有可能突破的可能，应该告诉前线指挥官，千万不能麻痹大意。另外，日军第2师团没有参加进攻，是否有可能从左侧翼参加会攻察哈尔的可能？”彭德怀说：“有这个可能，应该提醒北方战区指挥部，注意察哈尔的左侧翼。总之察哈尔将面临一场恶战。”

果然次日凌晨，日军在天镇方向攻势锐减。紧接着日军在多伦野战机场出动200架轰炸机，开始空袭察哈尔防线。当天日军兵分三路，集中六个师团在康宝、张北、兴和长达100公里的战线发动了潮水般的攻势。日军进攻的重点是位于防线中部的张北防区。日军的重点突破也在这里，因此日军在张北投入了三个师团，及第二军第5、22、55野战师团。