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在中共抗战决心的影响下，在民众抗战热情的推动下，阎锡山此时确实对抗战有了比较明确的态度。1936年10月31日是蒋介石的50岁寿辰，阎锡山与张学良联合起来，利用祝寿之机，向蒋介石进谏，要求蒋介石停止内战，联共抗日。他们面见蒋介石，陈述了自己的主张。蒋介石仍旧坚持其“攘外必先安内”的政策，并说共产党已成强弩之末，只要大家努力，短期内不难彻底消灭，永绝后患。蒋介石对二人还大声训斥；阎、张讨了个无趣，只好沮丧地退出。这一次进言遭斥，成为张学良采取更激烈行动的前奏；而阎锡山也并无后退，其表现是采取了更宽松的政策，使牺盟会的抗战宣传、组织活动得以更蓬勃地开展起来。
牺盟会先后开办军政训练班、民训干部团、村政协助员训练班、牺盟特派员训练班、国民兵军士训练班团、国民兵军官教导团等，对积极要求抗日的各方面人士进行大规模培训活动，不到一年时间里，培训了近万名骨干，为山西坚持抗战奠定了坚实的干部和人才基础。牺盟会利用公开合法的身份，广泛发动青年学生和工农群众，甚至连阎锡山的太原兵工厂的工人都动员了起来，其中有不少人参加了抗日武装，成为坚强的抗日战士。牺盟会还大量编印宣传抗日的期刊、书籍、传单，嘹亮的《义勇军进行曲》等革命歌曲响彻太原上空。牺盟会的卓有成效的活动，在全国产生了极大影响。一时间，山西成为全国抗日的前哨，全国各地的进步青年和各界人士，都纷纷涌来山西参加抗日活动，接受培训教育。国民党爱国将领，曾因痛恨蒋介石不抵抗而在南京中山陵剖腹自杀过的续范亭将军，此时对阎锡山治下的山西，作过热情洋溢的评价：“山西以一隅之地，进行了守土抗战，收罗了进步青年，成立牺牲救国同盟会，表现了思想自由，允许开设《生活书店》。我看见山西有了光明，虽然仅仅点出了一支土蜡烛来，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