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日军占领了旧万全，继续向孔家庄守军发起进攻。中国守军曾给予有力的反击，迫使日军转取守势。经过三昼夜激战，日军占领了孔家庄，切断了平绥路。这时，东援南口的傅作义立即率领两个旅赶回张家口，组织固守城垣并反击日军，但未能抑制日军的攻势。

26日以后，整个战局严重恶化，第八十六军军长刘汝明在7日命令部队向洋河南岸撤退，张家口沦陷。日军左翼的大泉支队于20日从沽源开始南进，26日占领独石口以西的三间房。27日，又占领宣化，与从张家口东进的关龟治旅团会合。29日，板垣师团也推进到宣化。至此，进攻平绥路东段的两支日军会合。与此同时，酒井镐次的独立混成第一旅团占领了张家口以西的柴沟堡。中国第二战区平西守军受到日军南北夹击的威胁，分头向天镇和蔚县方向撤退。

日军占领了南口和张家口，板垣师团在怀来和下花园之间集结；东条英机兵团集结于以张家口为中心的宣化和柴沟堡地区。9月6日，板垣师团根据方面军指令，分三路向南推进，企图赶到蔚县附近。刘汝明军防守蔚县，还没见到日军就向后撤。汤恩伯急令高桂滋的第十七军从广灵速派一个团去蔚县增防。这个团还没到达蔚县，板垣师团就已抢先入城。随后，日军在14日攻陷广灵，16日夺得涞源，20日攻占灵丘，准备在突破长城线以后，参加保定会战。

在板垣师团南下的同时，关东军派遣兵团出动两个旅团以上的兵力，在伪蒙骑兵九个师协同下，于9月6日向驻守天镇的第六十一师第二九九团发起强攻，守军孤军奋战，坚守了一个星期，在11日撤出阵地。日军攻占天镇以后，立即进逼大同。大同守军在13日弃城，日军不战而占大同。随后，日军攻占了大同北面的丰镇和绥东重镇平地泉，继续向西进攻，同一天占领绥远省会归绥，16日又占领包头。平绥线作战到此结束。


聂荣臻说：“这次必须打好，打出八路军的威风来！”

广灵和灵丘的失守，凸显出平型关的重要。中国军队撤退到平型关一线，扼守日军从灵丘进攻雁门关侧背的必经之路。9月22日，板垣师团先头部队到达平型关，与中国军队展开激战。第二天，板垣的主力赶到，向公路两侧高地进攻。高地上的中国守军只有两个连，经过一夜苦战，全部牺牲。

24日，傅作义率领两个旅赶到平型关，与日军激战一整天，伤亡惨重，丢失了几个高地。第二天拂晓，傅作义组织反击，恰遇日军发动进攻，反击部队无法前进，反被日军击退，团城口、鹞子涧等险要阵地被日军占领。激战到中午，陈长捷师赶到，中国军队趁势再次反击，夺回鹞子涧等高地。

这段时间，林彪率八路军第一一五师先头部队第三四三旅进抵大营镇，迅速派出侦察分队，查明平型关地区的情况。

平型关，是恒山和太行山交接处形成的门户。两山夹谷，纵贯一条通道，就是蔚县至代县的公路。它从灵丘城伸出，沿唐河河谷西行二十公里，经东河南镇，在蔡家峪村脱开河谷，转向西南平型关山区；再前行两公里，从小寨村入狭沟，到老爷庙出口，全长四公里，沟深十到三十米，宽十到二十米。从灵丘到平型关这三十公里的路段，分为三种地形：灵丘城至蔡家峪村的二十公里是河谷川道；从蔡家峪村开始，有两公里路段的地形变得复杂，尤其是小寨至老爷庙的四公里路段非常险要；老爷庙至平型关的四公里路段，地形又变得开阔。显然，小寨至老爷庙的四公里，非常适合打伏击。这一带地形狭长，进入的部队和火器都无法展开，攻守两难，如同钻进风箱里的老鼠。

林彪一眼就看中了这个地方。随后，他又带人来察看这一段地形，发现关沟至东河南镇十三公里的地段，沟深路窄，地形非常险要，两侧高地便于隐蔽兵力、发扬火力和展开突击，是打伏击的理想战场。

种种情报向林彪表明：日军骄横狂妄，疏于戒备，利用平型关东北的有利地形设伏，出其不意，歼灭从灵丘向平型关进犯的日军，配合友军作战，是完全可行的。他命令陈光的第三四三旅从大营镇前进到平型关东南的上寨地区隐蔽集结，进行战前准备；同时命令正在沿同蒲路北上的第三四四旅迅速向平型关地区靠拢。

22日，板垣师团三浦敏事的步兵第二十一旅团一部，从灵丘向平型关进犯，占领了东泡池地区。第二天，八路军总部命令第一一五师向平型关和灵丘之间机动，侧击这股日军。

同一天，聂荣臻带领徐海东的第三四四旅赶到上寨。他对林彪说，部队都上来了，要林彪谈一谈敌情和备战情况。林彪告诉他：日军的大队人马正向平型关方向运动，这里地形不错，可以打一仗。随后，林彪摊开地图，和几位参谋一起，把平型关周围的地形和初步的作战设想做了介绍，征询聂荣臻的看法。聂荣臻同意在这里打一仗。他说：“在这里居高临下，伏击敌人，是很便宜的事。全国人民都看着我们，这次必须打好，打出八路军的威风来，给全国人民的抗日情绪来一个振奋！”
  

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