日军继续南犯，于9月11日向大同进攻。傅作义集团军和王靖国军所部在大同外围的聚乐堡抗击，与日军激战。阎锡山以大同附近地形不利，决心放弃大同。大同于13日失陷。
（四）绥远抗战
日军占领大同后，又进犯绥远省（今内蒙古自治区西部）。此时第二战区兵力主要集中于太原会战，只以骑兵第1军赵承绶部和绥远国民兵5个团负责绥远的抵抗。
先是，9月6日日军攻占尚义县南壕堑。10日，化德失陷。12日，商都失陷。日军分路进犯丰镇。16日，守备丰镇的绥远国民兵与日军激战，伤亡过多，17日丰镇遂陷。19日日军攻陷兴和。时日军进逼宁远（凉城），骑兵第一师（彭毓斌）与日军猛烈对战，凉城24日失守。从21日起，日军向集宁进逼，并向集宁右后方迂回，集宁守军伤亡甚巨。25日，集宁失陷。此役中骑兵伤亡1/3，国民兵团2000多人只余留400-500名。蒙伪军于9月26日占领陶林，30日占领百灵庙。
日军攻占集宁后分3路向绥远省省会归绥进犯，守军伤亡惨重，10月13日归绥失陷。武川同日失陷。21日，蒙伪军攻占固阳。日军占领归绥后，迅速西进，10月17日占领包头。于8月底在大同组建成立的东北挺进军（马占山任司令）各部，在丰镇集结，参加了守卫归绥、包头的战斗。