光明不大，但我却和许多爱国青年一样，象扑灯蛾似的，围着这一点儿光明，不肯他去了。”
正是在这种浓烈的抗战气氛的鼓舞和激励下，晋绥军的“绥远抗战”取得了大胜，对全国抗战起到了推动作用。
有全国人民的支援，有阎锡山的支持，还有共产党人的支持和激励。中共先后两次派代表团持毛泽东的亲笔信到绥远慰问，表示坚决做其后盾，鼓励傅作义勇敢抗战。傅作义决定奇袭百灵庙，给日伪军以更沉重的打击。在傅作义的指挥下，经过三天激战，11月24日，百灵庙战役胜利的消息传来，在全国引起一片欢呼。此役共消灭和俘虏日伪军2000余名，缴获各种炮13门，机枪20余挺，面粉2万袋等大批物资。这是中国军队首次在对日伪作战中取得的大胜。北平的〈大公报〉宣称：“百灵庙大捷是整个国家的一次凯旋。”绥远抗战的烽火，燃起了全国民众的抗日热浪；绥远抗战的炮声，也进一步激醒了在陕西“剿共”的东北军、西北军将士。一直背着不抵抗罪名的张学良受到极大的刺激，爱国热情化作不顾自身安危的决心，他于11月27日向蒋介石递交〈援绥请缨抗敌书〉，要求派东北军北上援绥抗日。但蒋介石仍顽固坚持必须集中全力消灭共产党，厉声指斥，拒绝他的要求。12月8日，张学良与杨虎成决定进行兵谏，迫蒋抗日。12月12日，他们发动了震惊中外的“西安事变”。张、杨在通电中申明兵谏的理由时称：“绥东战起，群情鼎沸，士气激昂。于此时机，我中枢领袖应如何激励军民，发动全国整个抗战……”。可以看出，是绥远抗战的胜利，激发了东北军、西北军的抗日热情；而蒋介石对绥远抗战的消极和压制，也成为激起事变的直接原因。一定意义上可以说，没有山西军民的绥远抗战，西安事变可能会延迟，可能不那么激烈，而抗日民族统一战线的形成和发展也可能会遭到更多的曲折。
西安事变发生后，张学良、杨虎城两将军向各地方实力派发出电报，希望他们能够通电响应，打破蒋介石坚持进行内战的局面，推动蒋介石走向抗战。张学良还专门派出代表飞赴太原，邀请阎锡山到西安共商救国大计。而这时，南京政府出现了主战与主和两派互不相让的局面，两派都希望取得地方实力派的支持。阎锡山在地方实力派中资格最老，实力最强，且山西又与陕西一河之隔，他的态度如何，就成为各方关注的目标。孔祥熙等人还提出一个方案：先把蒋介石移送至太原，再说其他。可见阎锡山在这一事件中所处的地位异常特殊。
得知西安事变的消息后，阎锡山是感到意外的，一时也拿不出主意。他连夜召开高级官员会议，反复商讨恰当的应对办法。此时，正值绥远抗战之际，阎锡山需要国民党中央政府给他以经济和军事上的支持。如果全国陷入混乱，不仅晋绥抗战的形势会立即逆转，而且很可能给他带来更大的危险。西安事变发生后，南京方面弓拔弩张，激烈的内战一触即发，如果大规模的内战爆发，只会给日本的侵略造成可乘之机。当时在国内，只有占据中央政府位置的蒋介石有能力来领导对日战争。考虑再三，阎锡山最后决定拥护南京政府，谴责张、杨，营救蒋介石。于是，阎锡山向张学良、杨虎城发出了有名的“五乎”电报：“来电均诵悉。环读再三，惊痛无以。弟有四个问题质诸兄等：第一，兄等将何以善其后乎？第二，兄等此举，增加抗战力量乎？减少抗战力量乎？第三，移内战为对外战争乎？抑移对外战争为内战乎？第四，兄等能保不演成国内之极端残杀乎？”阎锡山的这种表态，受到中共的重视和称赞。中共中央给阎锡山致信，说“陕变突起，事出非常。从电讯中知我公反对内战，有‘共维大局’之语，至理名言，曷胜钦佩”，又指出“目前宁军攻陕甚急，愿我公出以有力之调停手段”。当然，他的表态，也是给张、杨迎头泼下的一盆冷水，使他们对阎锡山大失所望。张学良回电驳斥了阎的责难，同时也还是希望山西能在这一事件中保持中立，不要动用军队将矛头指向东北军和西北军。因为事变发生，南京方面与西安方面中断联系，与两方都有联系的阎锡山的举止就具有举足轻重的影响。南京政府代行政院长孔祥熙在收到阎锡山的电报当天，就复电阎，“我公公忠体国，雄镇边陲，登高一呼，众流响应；尚祈主张正义，领导群伦，俾抒国难……汉卿于公夙致推仰，尚责以大义，动以私情，挽已倒之狂澜，拯救国家于万劫。”同时就赋予阎锡山以营救蒋介石的全权。张学良也特意派出代表到太原转告阎，说明蒋介石在西安绝对安全。
阎锡山感到这是抬高自己身价的好机会，立即将此消息报告南京，并授意太原各报刊登消息，大肆渲染“张、杨代表到并，蒋安全无恙，以安定全国人心”，突出阎锡山出面调停且受到张、杨重视的形象。阎锡山在与张、杨代表的会谈中，也就摆出了高高在上的架势，提出解决事变的所谓四大原则：爱护国家，爱护领袖，爱护副司令（指张学良），爱护东北军。并提出了一系列条件，作为山西派出代表赴西安的前提。阎锡山满以为，蒋介石需要他出面保护，张学良也需要他出面安抚，国民党内的各派系都需要通过他进行协调，这一次可以大出风头，捞到一大笔政治资本。但他的算盘落空了。此时，以周恩来为团长的中共代表团已经到达西安，经过中共代表团的耐心工作，张、杨已同意和平解决。张学良对阎锡山的表演异常窝火，决定把阎甩开。他对准备往太原接阎锡山代表的人说：“我决不让老阎做这一标买卖。”阎锡山还筹划着如何在周旋中获取利益的时候，却得到蒋介石已经返回南京的消息。开始，他将信将疑，在办公室内独自踱来踱去来回转圈儿；到确证这是事实后，他一屁股跌坐在沙发上，半晌说不出话来。
西安事变虽然没让阎锡山借机捞到资本，但这件事却推动了他与共产党联合抗日的步伐。到12月下旬，中共与晋绥在共同抗日的大原则上达成了共识，双方建立起了通信站，晋绥军解除了对陕甘宁边区的经济封锁，黄河两岸开始有了商业往来。中共利用牺盟会广泛开展的培训活动得到了支持，阎锡山本人也提出“宣传民众，组织民众，训练民众，武装民众”的口号，进行全民总动员。使山西全省进入抗战动员的准备阶段。1937年2月，双方又正式建立电台联系。七七事变后，7月15日，蒋介石宣布对日抗战，称：“地无分南北，人无分老幼，无论何人均有守土抗战之责任”，并承认了中共领导下的陕甘宁边区。不久后，阎锡山向中共代表正式表示：从今后可以用红军和中共中央代表的名义，在山西公开进行活动。之后，八路军驻太原办事处也正式成立，中国共产党和阎锡山的抗日统一战线建立起来了。
1937年七七事变后，蒋介石加强了军事部署，把全国分为五大战区，阎锡山被任命为第二战区司令长官，负责指挥山西、绥远和察哈尔的部队。由红军改编的第八路军，也归第二战区，朱德总司令兼第二战区副司令长官。山西为华北要塞，日本人也明白，“要完成军事上占领华北，非攻占山西不可”。山西势必成为日军在华作战的重点目标，阎锡山感受到了面临的巨大压力。他的一首诗，就表达了这种心境：
年来忍痛复吞酸，国难何容学挂冠。千言万语说不尽，多少心事留舌端。
面对国难当头，此时的阎锡山尽管有多少心事难以诉说，还是表现出了应有的爱国情操。他由“守土抗战”进而提出了“民族革命战争”的口号。他认为：“我们这次对日抗战，不是国与国的战争，也不是民族与民族的战争，而是民族革命的战争。民族革命战争是政治性的全面全民抗战。在此生死关头，惟有发动民族革命战争，举我全力作最后之一拼。”由此出发，他主张，非常时期采取非常政策。当务之急当然是扩充军队。趁此机会，共产党领导下的牺盟会提出了组织新军的建议，阎锡山表示同意。于是，1937年8日，牺盟会组建起了山西青年抗日决死总队。随后又以第二战区司令长官的名义发布命令，由共产党人薄一波全权负责，组建起了一、二、三、四共4个纵队。决死纵队作为新军，实行政治委员制度，政治委员拥有最高的政治和军事权力，有绝对的领导权。而政治委员多由共产党人担任，阎锡山只有一个条件，要求纵队的政治委员必须是山西籍人士。阎锡山能够容忍新军实行政治委员制，在当时，这也是他走出的一步大胆的棋。此事如果放在蒋介石那里，是绝对行不通的。这反映了阎锡山为了联共抗日，在政治上更为开明的一面；同时也表现出他对自己能够控制新军，能够用地域乡情笼络决死纵队的上层，有着盲目的自信。还有一点，就是显示出他对共产党善于发动和组织群众，并能迅速取得群众拥护支持的特点和能力，估计不足。因此，在逼人的大形势下，他在自己的算盘上，是将新军当作“他人出力，为我所用”的重要筹码的。这四个纵队的山西新军，都有国民政府军事委员会给予的正式番号，依次为国民革命军独立第一旅、第二旅、第三旅、第四旅和第207旅。
阎锡山还同意中共代表周恩来提出的“保卫山西，必须动员广大群众，开展抗日群众运动”的建议，决定在沦陷区成立战地总动员委员会，简称“战委会”。战委会成立后，在敌占区开展活动，配合军队作战。战委会组建起一支武装力量，包括8个支队，15000余人，成为在共产党领导下群众抗战的重要武装。
平津失陷后，华北日军兵分三路：一路沿平汉路南犯，进窥河南；一路沿津浦路南下，进犯山东；一路则沿平绥路西犯，进犯晋、察、绥，并把战略进攻的重点指向山西。山西地处黄土高原东部，太行、吕梁、恒山、中条四山环绕周围，地势险要，易守难攻，素有“华北之锁钥”之称，是华北天然堡垒。中国军队若能固守山西要地即可对侵入华北平原之敌侧背造成严重威胁。日军为确保对平津地区的占领，解除侧背之忧，图谋进一步南侵，也力求控制山西。在这两军必争之地，一场麈战势在必然。
8月下旬，日军在攻占南口和张家口之后，继续西进，山西东北部就完全暴露在日军的面前，日军乘势直逼山西，山西的形势一下子紧张起来。阎锡山预计日军必然进攻大同，就准备实施“大同会战”的计划。他亲临前线，把行营设在了雁门关下的太和岭口，声言要在此与日军决一死战，把侵入晋绥的日军歼灭于大同一带。对这个计划，蒋介石是赞赏的，阎要钱要枪，都给予大力支持。9月初，日军沿平绥路扑向雁北重镇天镇。晋绥军经过顽强抵抗，天镇失守。而日军占领天镇之后，并不向大同方向开进，却直向平型关一带逼来。如果日军攻占了平型关，就等于是从背后插进了山西。阎锡山的战略判断发生了错误，不得不忍痛放弃大同会战计划，将兵力重新部署到平型关南北，准备在平型关与日军会战。这时，八路军的高级干部周恩来、彭德怀、彭学枫等前去与阎会晤。周恩来根据当时的形势，反复向阎说明，目前虽然是敌强我弱，但我们只要动员全民，团结奋斗，就可以不断削弱敌人力量，增强我们的力量，坚持下去，一定能够打败日冠，鼓励他克服困难，坚持抗战。阎锡山看到共产党对抗战的确是一片赤诚，也从内心感到佩服。他特意约周恩来每天早晨一起办公，并通令军队学习八路军的做法。
在共产党的推动下，阎锡山抗战的情绪逐步高昂起来，他制定了平型关会战的计划：诱敌深入，然后发动攻击，并截断日军退路，称作“布袋阵”战法。但9月24日，敌人进攻平型关的战斗打响之后，受攻最烈的高桂滋部为保存实力，擅自放弃阵地，被日军占领有利据点，反而对晋绥军郭宗汾部形成包围之势。幸好配合作战的八路军115师主力已经设伏于平型关地带，于9月25日伏击了向平型关前进的日军板垣师团一部，歼灭敌军1000余人，使原先趾高气扬的日军顿时陷入一片混乱，才给郭宗汾部解了围。平型关大捷是抗日以来全国的第一个大胜仗，打破了“皇军”不可战胜的神话，增强了全国人民抗战的信心。在此形势下，阎锡山放弃了原先把敌人放进关内再打的方针，集中兵力进击平型关外，想要歼灭板垣师团。但已占领大同的日军，向南进攻，并又占领了繁峙县城，就对平型