车到小东门大校场，李下车距预铺红毡还有两三丈远，就被一枪打倒。据执行人、阎锡山的警卫营连长康增谈，因为前几年枪毙十旅旅长蔡荣寿时，一枪打倒抬回家去，还活了多半天才气绝，所以这次阎锡山特别指示，当场击毙后，执行人须守尸一小时，才许家人收尸。
李服膺是中日全面开战以来，第一个因丢失防区而被处决的军长。
李军长丢失的防区是山西北部的天镇。
平绥路上的南口、张家口相继失陷后，板垣征四郎的第五师团集结于怀来，东条英机的关东军察哈尔兵团集结于宣化，继续向南攻击山西的企图显而易见。只是，中国方面暂时还无法判断其作战方向和计划。
日军进逼山西无非有两种可能：一是在冀西北部与晋东北部交界处的蔚县、广灵发动佯攻，主力沿平绥路西进攻取大同，切断中国军队山西与绥远间的联络；二是在晋东北的天镇方向实施佯攻，主力攻取广灵，切断中国军队山西与河北间的联络。然后，两路兵力即可协同向南直插山西的腹地。
中国军队第二战区制订了兼顾两种可能的作战计划：“本军以利用山地歼灭敌人之目的，以主力配置于天镇、阳高、广灵、灵丘、平型关各地区，以一部控制于大同、浑源、应县附近，以册应各方之战斗，相机转移攻势。”
为此，司令长官阎锡山将第二战区部队部署如下：
杨爱源部第六集团军第三十三军独立第三旅和第七十三师布防晋东北的广灵；第三十四军第二〇三旅布防广灵以西的浑源，第一九六旅布防浑源西南方向的应县，第七十一师在应县西南方向的岱岳（山阴），新编第二师在平型关以西的砂河。
卫立煌部第十四集团军第八十五师控制平型关以西的大营。
傅作义部第七集团军第六十一军第一〇一师固守晋东北的天镇，第二〇〇旅布防天镇西南面的阳高，独立第七旅布防大同以东地区；第三十五军新编第六旅固守兴和，新编第五旅布防隆盛庄，第二一八旅固守集宁，第二——旅布防归绥，第二旅和第二〇五旅布防大同至丰镇间。
从北向南，第二〇九旅控制在大同与怀仁间，预备第七十二师控制在应县，第二一五旅控制在雁门一带，独立第一旅控制在平型关，第六十六师控制在太原。此外，在山西、绥远与察哈尔的交界处，骑兵军主力布防在商都、尚义、化德一线。
第六十八军刘汝明部在蔚县一带防御。
第十七军高桂滋部布防广灵。
司令长官部行营进驻雁门关以西的太和岭口村。
但是，令中国军队没有想到的是，东条英机指挥的察哈尔兵团和板垣征四郎指挥的第五师团，从攻击一开始就两路齐头并进，令第二战区无法判断出到底哪个方向是主攻。
九月三日，关东军察哈尔兵团独立混成第十五旅团，在旅团长筱原诚一郎的指挥下自张家口以南的宣化方向出动，向驻守天镇的中国守军第六十一军发动猛烈进攻。李服膺军长指挥的第六十一军刚刚从柴沟堡方向南撤至天镇，各部队仓促间进行了部署，也是一线式的防御阵形：第二〇〇旅的四〇〇团据守天镇附近