由于第五师团主要的行军路线是从怀仁到雁门关一线，所以在浑源到大同一线并没有多少日军，日军不认为现在的中国军队还敢分兵到他们的后方活动。
李杰率领一旅昼伏夜出，最终顺利的穿过浑源到达大同东北方。按照出发前的安排，李杰将部队在天镇到大同必经的交通线上潜伏了下来。
凭着多年从军的经验判断，李志坚和李杰都断定日军组织如此大规模的会战，需要的物资绝对是海量的，那么大同作为桥头堡，一定会有大量的物资运送过来。经过侦察兵的侦察结果，的确有一支为数不少的汽车队连续几日一直在这条线上不停的运输。
于是李杰就开始布置起伏击战场来，根据了解到的日军车队运输时间安排，李杰在第一线在布置了四个营，伏击战一旦打响，必须要保证前线的火力强度，四个营已经是地形能够容纳的最大数，新兵太多，他不敢太过分散。为了增加老兵比例，李杰将三个团下辖的侦察连也都布置在了这里。
为了稳妥，李杰在第二线留了两个营作为预备队。
在面向大同城的方向，李杰安排了三个营，如果大同日军增援，则负责对大同方向过来的日军进行阻击。
在伏击阵地上，按照出发前李志坚和李杰的战术推演，到时候要集中迫击炮和掷弹筒对日军进行急速射，在最开始就用饱和火力打掉被伏击日军的主要战斗力，随后机枪等火力射击，冲锋队同时开始冲锋。
李杰在这里集中了所有的迫击炮和掷弹筒，为了增加第一时间火力饱和度，李志坚又给一旅额外加强了十几门迫击炮和几十具掷弹筒。
日军的运输队没有想到，还会在此遭遇中国军队的伏击。在他们看来，现在的中国军队应该都在日军大炮和重兵的攻击下辛苦抵抗。
在日军运输车队200多辆汽车到达伏击区域后，李杰用枪声做信号，所有的迫击炮和掷弹筒全部进行急速射，在炮击开始的几分钟后，两个营的突击队员大多手持冲锋枪进行突击，山上一百余挺轻机枪则进行遮蔽射击，防止残余日军对冲锋队伍射击，同时由神枪手抵近进行精准射击来进行掩护。
日军两百余辆汽车，大部分被炸毁，炮击持续五分钟后，日军押送的人员前后各一个中队，在未能实行有效反抗即先被炮兵打掉一半多，突击队员已经到达车队周围，冲锋枪的密集火力根本不是残余的日军可以抵挡，所到之处都被弹雨清扫干净。
全部伏击过程不过几十分钟，日军整个运输车队被全歼。李杰要的就是是日军快到目的地大同，精神懈怠的时候予以出其不意的攻击。
李杰现在也摸到了一些特战的门道，那就是藏、奇、快。首先必须先将自己隐蔽好，藏的技巧就是融于环境，利用环境；奇是目的，就是要出乎对手意料，在其没有准备时出击，打他个措手不及，使其无法准确判断，乱上加乱之后趁机得利；快是过程，就是一旦出手就要以最快的速度结束战斗，想尽办法在对手反应过来前就将对手击倒。
李杰迅速组织人将被伏击的日军汽车上物资进行抢运，优先补充消耗的迫击炮弹、掷弹筒弹和子弹，敌后作战就必须以战养战，后面的战斗补给不易，必须的依靠缴获的物资来战斗。不过日军的迫击炮口径和晋绥军的迫击炮不一致，日军普遍使用的是九十毫米口径的，炮弹不能通用，所以只能尽量搜刮日式迫击炮补充到部队之中。
不过为了部队的机动性，李杰命令每人只携带自己可以承担的重量的东西，之后即撤出战场，未炸毁的车辆及车上的重炮弹等弹药等物资对于他们都没有用，直接用炸药一并引爆。
日军在听到交通站上的战斗枪炮声后，迅速从大同派出力量进行增援，正如李志坚所预料的那样，在大同的日军并不多，前来增援的日军不过一个大队，李杰布置在第三线的部队一直等到这些日军到达，又打了一次伏击后，消灭了一些日军，但是没有冲锋和增援的日军进行近距缠斗。
大同城内再未派兵出来，战斗到晚上，趁着夜色，阻击部队不再和日军纠缠，撤出阻击阵地退往指定地点，日军在战斗中也发现阻击他们的队伍人数不少，火力也较强，也就没有去追赶，而是撤回了大同。
在天镇西的这次伏击战，虽然规模不如115师在平型关的伏击战规模大，但是也歼灭近六百多日军，并缴获不少物资，同时由于新三师的火力要强大的多，弹药也更加充足，在第一时间即以饱和攻击，所以损失也要小的多。
李杰在大同东北对日军运输车队伏击得手后，李志坚知道自己选对的方向，日军最薄弱的地方现在就是张家口到大同的交通运输线，在确定这个薄弱点后，李志坚电令李杰继续在此地寻找战机。
李杰通过日军从大同出来的援军人数判断，留在大同的日军人数绝对不多。为了验证判断，李杰组织小队到达大同外围的岗哨，将在外执勤的伪军捕俘了两名，从这两人的口中得知，在大同城内留守的主要是辎重部队，日军这次出动时将主力全部带走。
李杰心中有数之后，就开始放胆在大同周围活动袭扰，大同周围不少据点被拿下，日军从大同向前线的补给也暂时只能停止。
而新三师一旅则是在作战中越来越强，部队中的新兵在积小成多的战斗中了解了战斗的技巧，队伍原本的火力就不弱，在加强了缴获的日军迫击炮，掷弹筒和轻机枪后，火力强度更高，对于日军的重机枪，李杰受李志坚的影响，对这种武器也很不屑，认为携带不便，为了保证部队的机动性，全部直接炸毁。