毛泽东要求周恩来赶赴太原或大同,会晤阎锡山,协商八路军“入晋后各事”。九月七日凌晨,周恩来、彭德怀、徐向前赶到了位于雁门关附近太和岭口的阎锡山指挥部。此刻,山西战场的对日作战已经没有退路,但与日本人打仗阎锡山还没有把握。阎锡山向共产党方面告知他的作战计划,周恩来建议阎锡山“不要单纯死守雁门关,而应主动出击,实行侧击和伏击来破坏日军的进攻计划”,明确表示八路军第一一五师可以“配合友军布防平型关一带”。
阎锡山的作战计划最令人困惑之处在于:凭什么判断日军的主攻方向只能是平型关?如果日军的主攻方向不是平型关,全盘依此部署的作战阵势将如何紧急应对?另外,平型关是著名的关隘和天险,是阻击日军的有利地形。从山西最北部的天镇、广灵一路退下来后,第二战区司令长官部不断地命令部队重建阻击线,以阻止日军继续向南推进的势头,现在已经退到了阻击最有利的天险关隘,为何反而放弃不守要退到关内的砂河盆地里决战?最后,如果把日军放进平型关,一旦预计的围歼无法达成,部队如何迅速部署才能确保太原的安全?尽管共产党方面对阎锡山诱敌深入的作战设想不敢苟同,但与其协同作战保卫晋北要地的决心是坚定的。
彭德怀与阎锡山商定,位于日军第五师团攻击方向的平型关以及位于关东军察哈尔兵团攻击方向的茹越口和雁门关,都要派出强有力的部队防守,八路军第一一五师可以有日军攻击平型关时于日军的侧后出击,第一二0师可以在日军攻击雁门关时于侧翼出击。八路军决心在晋北与日军面对面地打上一仗。但是,在平型关前线指挥作战的第六集团军副总司令孙楚反对阎锡山的作战部署。他认为,日军的主攻方向依旧是关东军察哈尔兵团直指的雁门关,而不是平型关。据此,孙楚不同意将日军第五师团放进平型关内来,而主张以第十七军和第三十三军以及进入型关附近的八路军第一一五师,扼守平型关和团城口,相机出击,配合雁门关方向的主战场,第六集团军总司令杨爱源同意孙楚的见解。
听了杨爱源的当面陈述后,阎锡山批准了孙楚的计划,决定固守平型关和团城口一线,将第十七军第二十一师向北延,与布防恒山的第十五军阵地连接,掩护恒山的东翼。孙楚按照新的作战计划向各部队发出指令,但是第十七军军长高桂滋却对孙楚的部署极为抵触,他是唯一赞同阎锡山把日军放进平型关的前线将领,理由很明显:他的第十七军处在与平型关并行的团城口,面对日军的进攻首当其冲,如果按照阎锡山的作战计划,他的任务是不必死守,只要打一下跑进恒山里就行了。高桂滋的抵触对于后来的战局演变成为一个巨大的隐患。
二十一日,日军第五师团第二十一旅团旅团长三浦敏事,率领二十一联队第三大队和配属的第十一联队第一大队,从位于晋东北的灵丘出发,沿着灵丘通往平型关的公路,追击仍在后撤的中国军队第七十三师。这一天,中国空军在山西参战了。中国空军前敌总指挥周至柔电告阎锡山,空军编组了支援山西作战的四个飞机中队,指挥所设在太原,以洛阳、西安、南阳机场为基地,以太原、临汾、长治为前进机场。就在日军第二十一旅团发起攻势时,关东军飞行第十六联队的十五架战斗机,掩护第十二联队的八架重型轰炸机,轰炸了太原城。中国空军第二十八中队队长陈其光率领七架驱逐机迎击,将日军第十六联队第一大队队长三轮宽少佐所驾驶的九五式战斗机击伤。该机在太原附近的农田中迫降,爬出机舱的三轮宽被当地农民打死。
尽管日军对平型关的攻击规模并不强大,但终究是敌人已经攻到天险隘口前了。阎锡山十分紧张,他动用了预备队,命令第七十一师附新编第二师共八个团向东西跑池、小寨方向迂回,以形成对日军的侧击;第七十二师第第三十五军的两个旅作为出击预备队,由傅作义担任出击总指挥。阎锡山还从太和岭口前线指挥部致电第十八集团军总指挥朱德,希电林师夹击敌之侧背。”林师”,即林彪指挥的八路军第一一五师。共产党领导的抗日队伍,第一次以正规部队的名义,加入在国民政府军事委员会统辖的战斗序列里,奔赴抗日战场参战了。
根据八月二十二日国民政府军事委员会颁布的国民革命军第八路军的改编命令,八月二十五日中共中央发布的红军改编命令,第八路军之第一一五师、第一二0师和第一二九师的编制序列是:第一一五师,由红一方面军第一、第十五军团和陕南第七十四师改编,师长林彪,副师长聂荣臻,参谋长周昆,政训处主任罗荣桓,副主任肖华。辖第三四三旅(六八五团、六八六团),旅长陈光,副旅长周建屏;第三四四旅(六八七团、六八八团),旅长徐海东,副旅长黄克诚;独立团和三个直属营。全师一万五千五百人。
第一二0师,由红二方面军第二、第六军团和陕北红军第二十七、第二十八军,独立第一、第二师,赤水警卫营、总部特务团各一部改编,师长贺龙,副师长肖克,参谋长周士第,政训部主任关向应,副主任甘泗淇。辖第三五八旅,旅长张宗逊,副旅长李井泉;第三五九旅,旅长陈伯钧,副旅长王震;教导团和五个直属营。全师一万四千人。
第一二九师,由红四方面军第四、第三十一军,陕北红军第二十九、第三十军,陕甘宁独立第一、二、三、四团和第十五军团骑兵团改编,师长刘伯承,副师长徐向前,参谋长倪志亮,政训部主任张浩,副主任宋任穷。辖第三八五旅,旅长王宏坤,副旅长王维舟;第三八六旅,旅长陈赓,副旅长陈再道;教导团和五个直属营。全师一万三千人。后方总留守处主任肖劲光。八路军总部直属队约三千人。全军总计约四万六千人。
为了加强党对抗战时期军事工作的领导,中共中央政治局洛川会议决定,成立新的中共中央军事委员会,毛泽东为书记,朱德、周恩来为副书记。成立前方军委分会,朱德为书记,彭德怀为副书记。十月,中共中央决定成立军委总政治部,任弼时为主任,恢复了一度取消的政治委员制度,聂荣臻、关向应、张浩分别为第一一五、第一二0和第一二九师政委,肖华、黄克诚、李井泉、王震、王维舟、王新亭分别为第三四三、第三四四、第三五八、第三五九、第三八五、第三八六旅政委。