盤山主陣地的失守，也就意味著天鎮戰役已經失敗了。李服膺終於等到了閻錫山的撤退命令，於是率殘部撤退。在撤往雁門關途中，李服膺突然收到閻錫山命他赴太和嶺口參加軍長級會議的電令。此時，李正準備召開六十一軍作戰檢討會，總結教訓，以利再戰。收到電令後，他不得不立即去見閻錫山。
行前六十一軍參謀長劉金聲，一零一師師長李俊功等人曾極力勸說李服膺，閻錫山為人陰沉詭詐，不知其何如何評估天鎮戰役，還是不要急於去見閻錫山為好。那時國內輿論對晉綏軍的迅速潰敗，十分不滿，害怕閻錫山會拿李服膺抵罪……傅作義也勸他不要急於離開部隊去見閻錫山。因為傅已知道當時國內輿論對綏東、天鎮戰局的迅速潰敗十分不滿，在閻未明確表態前，急促見閻是危險的。但李服膺卻認為自己沒有做對不起長官和部隊的事，還是坦然地從繁峙縣的沙河起身赴太和嶺口去了。
李服膺哪能料到，太和嶺口等他的根本不是什麼「軍長級會議」，一下汽車，幾個憲兵就不由分說地把他扣押了。爾後，閻錫山宣佈扣押他的罪名是由於他擅自撤防敗逃。
閻錫山戰前曾宣稱要出兵三十萬組織大同會戰，阻擋日軍的攻勢，但是結果卻是天鎮戰役之後，大同也與不久之後被日軍攻陷，所謂的大同會戰隨即化為泡影，為什麼會出現這種情況呢？
原來湯恩伯於1937年8月27ri棄守華北要塞南口後，老蔣曾急電閻錫山說，他要派30萬大軍進駐山西，協助晉綏軍堅守山西。同時，中央軍已奉命向山西分頭進發。閻錫山見電，大為恐慌，立即給蔣復電說：「我決心用30萬晉綏軍全力在大同與敵會戰，禦敵於門之外，以保疆域。勝則固無論矣，敗則在請大軍固守雁門」云云。這便是閻錫山所謂「大同會戰」的提出。
其實，在此之前，閻錫山毫無「大同會戰」的準備。此時，他只不過把「大同會戰」作為拒絕蔣軍入晉的擋箭牌而已。閻對蔣軍入晉，早有戒心。1936年赤軍東渡黃河進入山西時，老蔣曾派5個師開進山西，赤軍回師陝北，蔣軍入晉部隊卻駐紮不退，使閻大有如芒在背之感。所以，這次他暗自決定，不到萬不得已之時絕不讓蔣軍入晉。閻擋住蔣援晉兵馬後，為蒙騙蔣，便在所謂「大同會戰」上故作渲染，擺出一付認真準備會戰的姿態。然而，私下裡，他又對左右心腹吹風道：「蔣先生那樣的軍隊，給山西來30萬，不用和日本人打，就把山西踏成土坪啦！與其那樣，還不如當亡國奴省事些。」
於是閻錫山一面命令六十一軍堅守天鎮，一面緊急增調令傅作義的三十五軍、王靖國的十九軍、趙承綏的騎一軍等二戰區主力部隊向大同一帶集結。但是當這些部隊剛剛趕到大同地區之時，又接到閻要他們疾速率兵南撤，回師防守雁門關，準備「雁山會戰」的電令。
原來這時候板垣征四郎率領的第五師團主力，從張家口南下蔚縣、淶源，以迅雷不及掩耳之勢奪得廣靈、靈丘。這時，閻才悟及，日軍的主攻方向似不在大同，而在平型關了。於是，閻急令大同一帶集結的軍隊火速南下雁門關，改為準備「雁山會戰」。這樣，所謂「大同會戰」便成泡影了。
然而，「雁山會戰」也是戰不成的，因為閻錫山的想法早已落在板垣之後了。當時的戰況是這樣的，在蔚縣、廣靈、靈丘這裡有條兵家謂之「靜態走廊」的蔚（縣）代（縣）公路。板垣奪得上述三縣後，很快又奪取了平型關。若板垣再沿蔚代公路繼續南下代縣、原平，與攻取天鎮、陽高、大同一線的南下之敵合攏，則對準備「雁山會戰」的六七萬晉綏軍形成包剿之勢。於是，閻錫山又不得不放棄「雁山會戰」，再度命令晉綏軍南下忻口一帶，作迎敵準備，而自己則倉皇撤銷設在太和嶺口的二戰區司令長官部行營，逃回太原。
「大同會戰」不戰而逃，「雁山會戰」亦不戰而逃，以至雁門以北大片土地輕而易舉落入敵手，在全**民高昂的抗日呼聲中閻錫山如不設法掩蓋，自知無法向國人和南京政府交代。要推卸責任，就要找替罪羊，這樣，悲慘的命運就落到李服膺身上了。
李服膺被捕之後，傅作義等晉綏軍高級將領曾向閻錫山求情，認為天鎮戰敗，職責不在李服膺，希望閻錫山能夠網開一面，但是已經打定了棄車保帥的閻錫山又哪裡聽的進入。
回到太原後，閻錫山隨即倉促組成高等軍事法庭，宣佈翌日會審李服膺。
憲兵將李服膺押上法庭後，閻錫山緩緩站起，雙手支住公案，似看非看地打量了李服膺一眼，冰冷著臉，用責備、惋惜、而又愛莫能助的口吻說：「慕顏（李服膺字慕顏），從你當排長起，一直升到連長、營長、師長、軍長，我沒有對不起你的地方。但是，你卻對不起我。第一，你做的天鎮盤山的國防工事不好……」
「沒有材料……」神態自如的李服膺插話答辯。天鎮國防工事的資金大部分被閻錫山截留了，直到日軍進犯天鎮，這裡的國防工事才完成了很小的一部分，對此李服膺問心無愧。
但是，閻錫山竟絲毫不容他置辯地繼續往下說：「第二，叫你死守天鎮、陽高，你卻退下來……」
「我是奉命退卻，有電報為證！」李服膺見閻錫山硬給自己加罪名，一反往日唯命是從的常態，立即從口袋裡掏出閻錫山命六十一軍從天鎮「相機撤退」的電令。
「你胡說！」城府極深的閻沒料到李有如此一手，臉色大變。但他色厲內荏，自知理虧，霎時又換成愛莫能助的口吻說：「今日處辦你，實讓我傷心，但我不能因私害公。你的家，你的兒女，有我接濟，你不用顧慮。」話畢，匆匆離席而轉身，從大堂後門疾步而去。
隨後軍事法庭以「放棄陣地，擅自撤逃」罪名被判處李服膺死刑，並被立刻執行，李服膺成為了抗戰以來第一個被處決的高級將領。