阎锡山决定放弃大同那天，沮丧之际，他写了一首《弃雁绥工事》诗：“国防大计定当先，临时决策事难全。工事费款千余万，放弃全由南口牵。”显然，阎锡山是对**防守南口陷落，深为不满，而为他弃守大同寻找依据。
天镇失守，弃守大同，晋北门户大开，即放弃绥东与雁北广大国土，使国内舆论哗然。矛头纷纷指向阎锡山，责骂他畏敌如虎，应将他撤职治罪，以谢国人。
蒋介石来电斥责他：“临阵慌乱，御敌不力。”要求追查晋绥军失土之责的电报信件，纷纷寄往统帅部和军委会及第二战区司令部行营。
阎锡山受到了来自统帅部和国民的压力，感到了惊慌。他对参谋长朱绶光说：“娘那个熊！事情弄大了，可怎么收场？”他彻夜难眠，冥思苦想……
李服膺在滹沱河南岸集结起第61军残部，由广灵以西经应县向雁门关转进。途中，他接到阎锡山召集军长开会的电报。身边的人说：“军长，目前舆论对第61军责骂很凶，于你不利。平型关战局危机，形势很快将有变化，不如迟几天再去为好。”
李服膺自信地说：“我从未做过对不起阎先生的事，他不会委屈我。”
于是李服膺骑上马，带少数随从，毅然去第二战区司令部行营太和岭口报到。
第61军没能在天镇、阳高坚守更长一段时间，与第400团麻痹轻敌丢失盘山有极大关系。若追究责任，团长李生润首当其冲。集团军总司令傅作义指示第61军副军长贾学明，先将李生润逮捕押送二战区军法总监部。李生润被抓捕后，托词解手，越墙逃跑了。
李服膺跟随阎锡山20余年，唯阎锡山之命是从，是晋军将领中的“五台派”，阎的心腹。
李服膺来到第二战区司令部行营。阎锡山就派人把他扣押在执法总监张培梅的宪兵队。李服膺被扣押起来后，傅作义曾几次向阎锡山进言，盘山永久工事失守，影响天镇、阳高防守和尔后战局，主要罪过在团长李生润及其旅长刘潭馥身上。为严明军纪，激励军心和应付国内舆论，可以杀团长，处分旅长。阎锡山当时同意了傅作义的建议。
军法总监张培梅得知李服膺部天镇溃败、雁北失守的战况，主张按战时军法处决李服膺。但当他知道天镇、阳高失守的全过程后，认为李服膺不是死罪。张培梅向阎锡山请求将李交付他依法处理，阎就是不同意。后来，阎锡山于深夜提审并下令处决李服膺时，最有资格坐在大堂上的执法总监张培梅却没在场，这也许能说明他对此判决仍有争议。
半个月后，阎锡山从太和岭口回到了太原。他终于下定决心处决李服膺。其原因有三：一是李服膺的老同学，南京军委会执法总监唐生智来电，要求将李押解至南京审理。若这样，雁北国防工事偷工减料之事就会败露；何不先杀李灭口。二是蒋介石紧盯住不放；汤恩伯也在蒋面前状告李服膺在平绥线作战不力，使汤部蒙受重大损失。三是舆论压力太大，不杀个军师旅长难以应付；并借杀李服膺警告晋绥军将领，以制止溃逃之风。
10月2日深夜，一辆汽车悄悄停在省府大堂门口，宪兵从车上押下李服膺，他没有被绑。一进大堂，李服膺发现大堂内设有公案，宪兵肃立，气氛阴森，大吃一惊：“这是干啥？”
这时阎锡山从里屋走出来，他双手支撑在公案上，眼睛盯住李服膺，低声说：“慕颜，从你当排长起，一直升连长、营长、团长、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……”
李服膺说：“让我守六天，我守了六天，我有电报……”
“你胡说！”阎锡山逼视着他，又说：“你的家，你的孩子，有我接济，你不要有顾虑。”
李服膺流下了眼泪。阎锡山朝周围的人点点头，快步离开。
陪审官谢濂说：“慕颜，你还有什么家事，可以告诉我。”
李服膺气愤地把帽子一摔：“那还说球哩！”
宪兵上去绑他，谢濂制止：“那像什么样子！”宪兵把绳子搭在李的肩上。
上车后，李服膺对谢濂和宪兵司令张建说：“为啥这样糊里糊涂地杀人，让我死得不明不白？”车开到刑场，李服膺被枪毙了，时年48岁。
各地报纸都在显著位置登载了，败军之将李服膺被惩办的消息。阎锡山却赢得了一片赞誉之辞：铁面无私、执法如山、秉公办事、阎长官“挥泪斩马谡”。
李服膺一死，对阎锡山的责难几乎都化解了。
李服膺是抗战爆发后，第一个被处决的国民党高级将领。