说是山西的门户。李服膺本人更是阎锡山麾下十三太保之一，是阎锡山的心腹爱将，很受阎锡山信任。因此，与日军的第一回合交手，阎锡山决定让李服膺迎战。为此，阎锡山命令李服膺部依托天镇、阳高境内在抗战前所建造的国防永久工事构筑防线，扼守山西门户。
负责追击中国军队的是日军察哈尔派遣军中筱原诚一郎的独立第 15 混成旅团。他们紧紧地跟在傅作义所部后面，试图追上傅作义，但是在进兵到门头沟时就已经发现了前方柴沟堡有中国军队防线。于是独立第 15 混成旅团立即停下来，调兵遣将，准备强攻柴沟堡。然而当日军即将进攻时，却发现正面的中国军队已经撤退，于是日军迅速占领了柴沟堡一线。拿下柴沟堡后，筱原诚一郎并未得到满足，而是继续追击撤退的李服膺部，一路沿着平绥路向西，尾随李服膺部追击到了天镇县境内的永嘉堡，进入了山西。