东北军第四次跨出山海关参加关内战争，使得中原大战的局势在短短的几天内便急转直下，反蒋联军已是必败无疑。但张学良的野心可不仅仅是制止战争，而是要称雄中国北方。于学忠兵不血刃攻占北京天津后，王树常后续调来的原属第二军的三个炮兵团、一个骑兵旅、一个战车队、一个航空队、以及第105师也迅速赶至平津，加入第一军的作战序列；紧接着，王树常又把原是热河省驻军、但已经整编完毕的第120师石文华部、第117师董福亭部开拔向平津，接替平津的军事防务，从而解决了第一军的后顾之忧。于学忠则接到张学良的命令，率领兵强马壮、辎重充足的全军从北京市一路向西，气势汹汹地直扑向山西省北部重镇大同。
9月5日这天，已经无心再战的阎锡山私下给张学良发送了“寒电”，希望晋绥军和东北军能单方面地议和停战。张学良回电的内容很简单：交出晋绥系所有的地盘和所有的军队。阎锡山此时猛然醒悟：张学良此次入关参战不仅仅是帮助蒋介石，更多的还是自家争抢地盘，张学良是要吞掉自己苦心经营近二十年的山西和整个晋绥军派系。与此同时，传来东北军大举进攻大同屏障天镇县的消息，守卫当地的晋绥军猝不及防，天镇已被东北军抢占。阎锡山原本议和停战的底限是保住山西和绥远，而察哈尔、河北、平津等地都已经让出去，但现在知道东北军竟然连自己的老家都不放过，顿时被激怒了。阎锡山怒道：“大家本来都一样（都是地方派系），张学良甘心做蒋介石的走狗也就罢了，却还对我咄咄相逼，连条活路都不给！实在是欺人太甚！”阎锡山随后改变策略，一方面向蒋介石求和，一方面对晋绥军下达了“保家卫乡”的号召，从山东、河南境内抽调晋绥军的主力，回援山西，与东北军展开全面决战。
势如破竹地攻占了天镇后，东北军第一军长驱直入，挥师直向大同。阎锡山治理山西近二十年，在苦心经营的同时也颇为别出心裁，为了防止敌对势力攻入山西，山西境内的火车铁轨宽度都不是国际标准和国内通用的1.435米，使得外省的火车根本开不进山西，从而避免了敌对势力用火车往山西省内大规模增兵。进入山西境内的东北军虽然拥有大量汽车和装甲运兵车，但大部分的步兵还是徒步前进。尽管如此，东北军官兵们无不士气旺盛、战意高昂，将领们更加兴奋不已。这阎锡山和晋绥军是张作霖和奉军的老对头，双方打了十多年，奉军始终都没能攻入阎锡山的老巢，让很多东北军官兵都耿耿于怀。眼下这个愿望化为现实，自然使得官兵们士气大振、高歌猛进：
“我还真以为少帅要帮这阎老西呢！嘿嘿，咱们总算也坑了晋绥军一把了！”
“这次一定要狠狠地打得阎老西不得翻身！叫他以前三番五次地做墙头草！”
沿途的山西百姓看到军容雄壮的东北军后，都一脸苦色：“土匪军又打来了！”由于张作霖以前曾是土匪，所以阎锡山蔑称东北军（奉军）是土匪军，倒不是因为东北军军纪败坏。
颠簸的指挥装甲车上，于学忠召集齐恩铭、丁春喜、刘翼飞、高维岳等将领们，指点着地图分析道：“目前晋绥军的主力都在河南和山东，但获悉我们进攻山西后，晋绥军各部已经开始回援山西。我们必须要趁着晋绥军主力没有回到山西，就拿下太原！太原一旦拿下，任凭晋绥军还有多少主力，阎锡山也彻底万劫不复了！所以，我们现在要做的就是一个快字！兵贵神速，我们必须要尽快发动攻击，抢占大同，抢占太原！只有这样，战事才能早点结束。这毕竟是内战，死的都是中国人，早点结束也是善莫大焉的好事。”
将领们都表示赞同。
于学忠望向第102师师长齐恩铭：“齐师长，目前大同的敌方守军只有李服膺第五军部，该军是晋绥军的二线部队，装备和训练都比不上河南山东的晋绥军一线部队。我把全军的车辆都调拨给你师，两个战车队、两个骑兵旅、六个炮兵团、两个航空队也都全部交给你指挥，让你的师能够先于全军赶到大同城下。你有没有信心拿下大同？”
齐恩铭自信笑道：“一天之内拿不下大同，我提头来见！”
于学忠又补充道：“李服膺是晋绥军里很有能力和善于打恶战的干将，不要掉以轻心！”
齐恩铭肃然敬礼：“明白！”
冲天的尘土中，东北军第102师、骑兵第1旅、骑兵第2旅等部风尘滚滚地先行一步，于当天黄昏便兵临大同城下。地面部队刚抵达，东北军航空兵的四十多架飞机便空袭了大同，往城外晋绥军的防线上投下炸弹十多吨。部分晋绥军将领心生怯意，第十五师师长贾学明对军长兼大同城防司令李服膺提议投降东北军，以保大同免遭战火毁坏。李服膺厉声呵斥：“大同一丢，太原门户大开，太原一丢，山西不保！我们未战而先言投降，如何对得起阎总司令？”随后下令全力应战。
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