时任第61军第101师第201旅少校参谋的贾宣宗受命趁黑夜去各团联系，检查伤亡情况。
7日中午，贾参谋在盘山庙附近找到400团团长李生润。当时敌我正拉锯争夺主阵地，两人看着刚夺回阵地的高宝庸营在敌人一阵猛烈的重炮轰炸后无一生还。李团长一面收集部队准备恢复主阵地，一面派人请求增援。但是贾参谋知道各部均已伤亡过半，后方又没有预备队，战局怕是难以扭转了。
7日夜，军长李服膺下令全线后撤，天镇城只留399团防守。这是经请示傅作义后作的决定，因为即使全军覆灭，天镇外围阵地终究难保，而阎锡山毕竟没有撤退的命令，天镇城还得死守。
这样一来，留在天镇的只剩下了张敬俊的399团这一个团的兵力。
9月8日，日军开始进攻天镇城。日军为探明虚实，先派了几十人先头部队率先进入天镇，他们以为中国军队全都争先恐后地逃跑了，万万没想到还有一个399团一千多官兵还未走，这几十人正好被399团“包了饺子”。张敬俊下令杀了这些鬼子不算，还把几十颗血糊糊的脑袋砍下来挂在城楼上。
这样的做法对日军来说无疑是极具震撼力的，日本人迷信，认为头被砍掉了，魂就投不了胎了。日军恼羞成怒，集中军力对天镇展开了疯狂的报复性进攻，先派飞机对天镇城垣进行猛烈轰炸，然后在重炮和毒气弹的掩护下，派坦克和装甲车轮番冲击。几番冲击均被守军击退。
当时，紧靠北城门居住的侯存祥和老乡们都藏在“避弹洞”（驻军指导老百姓挖的防空设施）里，探出头就能看见“贴着膏药”的日本飞机在扔炸弹。虽然只剩一团人马孤守，但守军仍然士气高昂。在战斗间隙，城内百姓能清晰地听到有激励士气的歌声从城墙上的驻军阵地传来。
日军连攻三天三夜，每日从晨至晚，不断进攻，阵前遗尸无数。十里边城，烟火遮天蔽日，喊杀声、枪炮声、飞机轰鸣声不断，在日本人的疯狂进攻下，这座小小的城池居然奇迹般的屹立不溃。连北平、天津都没放在眼里的鬼子实在想不通这个道理，无奈之下弃天镇而绕道转攻阳高。早在盘山激战的时候，李服膺就把指挥部撤出了阳高，与指挥部人员一道转入天镇城西的村庄指挥作战，因为阳高实在无险可守，城墙又年久失修，守阳高的是414团白汝庸部，他在与日军经过一天巷战之后，官兵200人战死，为了保存实力，遂撤出阳高。9月11日，阳高失守。日军攻下阳高后，复又掉头回攻天镇。
眼看后路被截，李服膺下令退出天镇。
命令一到，已经杀红了眼的399团将士无不跺足捶胸，不愿弃城后撤。当时仅8岁的侯存祥清楚地记得，驻在他家院内的士兵曾为此失声痛哭。无奈军令如山，11日夜，守军从西门含恨撤出，并将平绥路各桥梁全部炸毁。12日，天镇陷落，晋北屏障顿失。
日军没能重创或者全歼399团，就把怒气撒在尚未撤走的中国老百姓身上，烧杀强奸，无恶不作，造成了2300多人被残杀的天镇惨案。此事披露后全国舆论哗然，据说还惊动了南京的蒋介石，此事也给李服膺后来被杀埋下了伏笔。
61军在向雁门关撤退途中，一路上怨声载道。有的悲，“大同形如空城，哪里有会战的迹象。我军这次无谓牺牲，千把兄弟的命算是白送了。”有的恨，“把咱们孤零零地搁在那里，既无坚强工事，又无接应的援军，两次盲目限令，最后置之不理。这样指挥抗战，牺牲部队，真是儿戏。”还有的骂，“叫咱做国防工事，又不给材料工具，就知道克扣工资津贴。奶奶个熊，这明明是拿咱们当肉弹顶铁弹哩。”
甚至有高级军官建议，由于这次无谓牺牲，损失过重，即使撤回雁门，也战守无力。不如利用在这一带十数年人地熟悉的条件，采取分头游击的方式，先行就地整补，再定以后行动，这样，对全局战况也有好处。
李服膺说，“这样做，怕让人误会。咱不做阎先生不放心的事，不做对不起他的事。”
平心而论，这一仗打得确实窝囊，伤亡惨重，对不起跟了自己多年的弟兄。既无援军帮助坚守，又没组织起会战，不知道做了个甚。而且最后还是没接到撤退的命令就垮了下来，总是有点不安。不过，两次限令守6天，咱顶了11天，也算对得起阎长官了。有电报为证，谅他也无话可说。
李服膺的想法跟后来历史的发展本来应该是吻合的，只是意外地在某些关节点出了岔子。首先是雁北国土沦丧引起了国内舆论哗然，有记者报道说，抗战伊始，盘山、天镇、大同、丰镇、兴和、集宁等地的国防永久工事，尚未竣工，南京参谋本部城塞组拨给太原绥靖公署的国防工事费，真正发下去的不多。言外之意，这一大笔经费是落入了阎锡山的私囊。为平息媒体的攻势，阎锡山只好电令李服膺来雁门关岭口行营开军长会议，人一到就先拘捕关押起来，视情况再作处理。
正当李服膺率部撤退到广灵以西地区，经应县向雁门关撤退途中，忽然接到阎锡山召开军长会议的电令。李服膺以为是开作战检讨会，正好他也想向阎锡山说明情况，日军在天镇搞屠杀，全国震惊之余也在责怪负责守卫的61军，不战而逃的说法更强加于61军的头上。李服膺根本就没想到他此去一去不复返。他李服膺是谁啊？他在晋绥军人缘极好，连傅作义、王靖国、赵承绶、郭宗汾这帮大将军都得叫他一声大哥呢，况且他已经按阎锡山两次电令要他守6天，他已经死打烂缠地顶了11天才退下来，还能把他怎么样啊？于是，他骑上战马，带着少数随从，起身去太和岭口报到。
李服膺到达太和岭口行营后立即被捕，在太原被交付军法审判。
据庞小侠回忆，1937年10月8日夜里11点左右，阎锡山在现在的山西省人民政府当时的太原绥靖公署里端坐大堂之上，亲自审讯李服膺，两边分别是宪兵司令张达三，原绥远公署副官长李德懋，审判官谢濂，军法官张克忍以及十余名陪审官，还有李服膺的义父，山西省主席赵戴文。大堂外，宪兵警卫林立；大堂内，公案上点着6支蜡烛，气象森严。
李服膺由宪兵押进来后，阎锡山全副戎装，慢步地走到主审官的座前坐下，与向他鞠躬行礼的李服膺对望了一下，随便摸了摸桌上的案卷，对着李服膺厉声喝道，“你无故放弃阵地，罪该处死！你应该知道军法森严，不得玩忽。”
李服膺正待为自己辩护，阎锡山站了起来，眼角淌下泪水说道，“从你当排长起，一直升到连长、营长、师长、军长，我没有对不起你的地方，但是你却对不起我。第一，你做的国防工事不好。第二，叫你死守天镇、阳高，你却退了下来。”
说到这里，李服膺一脸不服地说，“我有你的电报！”
阎锡山一拍桌子喝道，“你胡说！”稍微停顿一下，阎锡山擦了擦眼睛，又说，“慕颜，今天惩办你，我也很伤心，但我不能以私害公。至于你的家，你的孩子，有我接济，你不要顾虑！……你还有什么话，可以跟竹溪（谢濂的字）说说。”
提到家，想到老婆孩子，李服膺哭了，无语。
阎锡山向周围点了一下头，走了。
李服膺明白，生的希望完全破灭了。他把帽子摘下来，重重地往地上一摔：“那就动手吧，那还等甚哩！”
阎锡山走后，警卫营的人就带着绳子去捆。谢濂喝住了，说那只是个样子，于是没有捆，只把绳子搭在脖子上。
张达三低声问李服膺：“有对家里说的话没有？”
后者摇了摇头，没说话。
审判官念了预先写好的判决书，随后，这位早已被革职的军长就被押向汽车。李服膺迈开大步往前走，居然像是去视察部队。
张达三说，“慕颜，你不要着急。”
汽车向大教场开去。
庞小侠后来回忆说：“我是值日官，没有去。枪毙李服膺的人是警卫营的连长康增。他回来说，下汽车以后，张达三和李服膺往前走，没走到放棺材的地方，张达三往旁边让了让，我就用山西造的大眼盒子，一枪收拾了他。时间是阎锡山从太和岭口回来以后没有几天。”
李服膺死后，中国各大报纸无不称阎锡山是“挥泪斩马谡”大加吹捧一番。阎锡山反而扭转了开战后舆论对其负面报道不利的局面。
就在李被枪毙两个多月后，李服膺的同窗好友唐生智镇守南京，守不住，他也溜了，在南京未及撤走的数十万难民和俘虏遭到了日军野蛮的屠杀和**，遇难人数是“天镇惨案”的百倍以上。可唐生智只是撤了职，比李服膺要幸运多了。
李服膺被杀后，曾遭到不知内情的人们痛斥，但却堵不住知情人的嘴巴。时为第二战区参谋长的楚溪春气愤地抱不平，他说：“慕颜死得太冤枉了，这件事是不得人心的。”
当阎锡山抓捕了李服膺后又要去抓捕在盘山战斗中死里逃生的400团团长李生润时，200旅旅长刘覃馥气愤不已，冒险掩护李生润逃走，并把李团长留下的“盘山战役”和“阵前日记”收藏起来，准备到国民党中央控告。
61军213旅旅长杨维垣，从天镇撤下来辗转到太原驻防时，不顾阎锡山的忌讳，亲率全旅官兵佐属乘坐军用卡车到李服膺墓地献花祭奠。
11月8日太原沦陷前，阎锡山早已逃到临汾。阎锡山令晋绥军文宣队排演话剧《枪毙李服膺》以继续蒙蔽天下，威慑官兵。一次在陈长捷部（61军全体残存官兵编入陈部）演出此剧时，李服膺部下一名叫倪保田的排长跳上戏台，脱下军装指着身上的伤疤高喊：“说老子们不抗战，这身上四五处刀伤枪疤是怎么来的？莫非是狗咬的？”当他讲到他们400团冲锋陷阵死伤八九百名官兵时，台下顿时群情激愤，官兵哗然，乱作一团。后来阎锡山怕事态扩大，便下令停演此剧。
李服膺死后，第61军的高级将领深知阎锡山生性诡诈，唯恐遭到暗算，便纷纷逃走。副军长贾学明、军参谋长刘全声、师长李俊功、旅长刘覃馥等都不辞而别，相继脱离晋绥军，投到了蒋介石麾下。