地安全；剩余7万机动兵力中，近5万人部署在平津前线，与日军十余万大军对峙，经过数月苦战，将士们早已疲惫不堪，伤亡也达到了8000余人，根本无法抽调大规模兵力西援；宋哲源的二十九军，从开战初期的10万人锐减至6万人，同样是疲惫之师，仅能勉强守住平津防线，无力分兵。
唯一的希望，是六月份以来扩招的新兵。早在六月，李辰便预料到中日大战将是持久战，兵力消耗必然巨大，于是以招募“警察”为名，在山东及周边地区扩招了10万青壮年，再加上系统补充的近2万红警战士，共计12万新军。但新兵需要训练才能形成战力，尤其是红警战士虽战力强悍，却需熟悉当前战场的战术与装备；而普通新兵更是要从基础的队列、射击、战术学起，即便有系统辅助的速成训练，也至少需要半年时间。按照计划，这12万大军最快也要到1938年初才能完成训练，具备上战场的能力。
“傅将军，并非我不愿驰援，实在是兵力枯竭，分身乏术！”李辰回电傅作义，语气沉重，“我已下令战斗机支援你们，临沂兵工厂优先赶制反坦克炮与弹药，尽快运往山西支援；待明年初新兵练成，我必率大军西援，与晋绥军并肩作战，收复失地！”
阎老西也收到了李辰的回电，深知李辰的难处，只能咬牙下令傅作亿“死守到底”，同时抽调太原周边的少量兵力驰援大同，但这些兵力杯水车薪，根本无法改变战场局势。
大同战场的激战持续了整整一个月。傅作亿率领晋军将士，凭借顽强的意志与灵活的战术，多次击退日军的猛攻，给日军造成了沉重打击。日军的坦克被炸毁50余辆，战机被击落20余架，士兵伤亡超过2.5万人，接近一个完整师团的兵力，香月清司也因战事不利，多次遭到大本营的斥责。
但晋军的伤亡更为惨重。十万大军，经过二十多天的苦战，伤亡超过4万人，剩余将士也已疲惫不堪，弹药用尽，粮食短缺。11月中旬，日军终于突破了大同的最后一道防线，攻入城内。傅作亿率领残军与日军展开巷战，逐街逐屋争夺，直到伤亡过半，才被迫率领剩余将士撤出大同，向太原方向突围。
11月十五日，大同宣告失守。消息传来，全国震动。山西门户洞开，太原直接暴露在日军兵锋之下，华北战局愈发严峻。
香月清司和第5师团长板垣征四郎站在大同城头，看着城下的尸山血海，脸上没有丝毫喜悦。这场胜利，代价太过惨重，2.5万精锐的伤亡，让他的部队元气大伤。
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