史泽波和续汝楫连连向阎锡山告急，失败战报像雪片般飞向太原。阎锡山脸上的笑容消失了。他一方面打电报给史泽波和续汝楫：“上党必守，援军即到，事关重要，务求必胜”，为史、续打气；另一方面命令孙楚连夜召开作战小组会议拟定增援计划。同时，阎还要郭宗汾打电报给重庆，要蒋介石派空军支援。
     9月20日，阎锡山召开秘密军事会议，孙楚在会上说明作战小组拟定的增援计划。其要点是：一、由赵承绶任总指挥，率领许鸿林第23军、孙福麟第83军共4个师，沿白晋线前进，作为佯动，诱解放军撤长治之围，前来打援；二、由汾南高倬之军担任主援，一俟围攻长治之八路军调打白晋线赵军时，迅即由侯屯公路直趋长治城下，形成合击；三、史泽波军一知八路军与援军接触，立即编队出击；四、赵、高、史三军全力以赴，围歼当面之八路军，以获全胜。这个计划是比较稳妥的。但阎锡山刚愎自用，轻信赵承绶的“八路军成不了气候”的狂言，特别是担心高倬之调离晋南，会给胡宗南留下空子，而不同意三路增援计划。最后，阎锡山决定派彭毓斌为总指挥，胡三余为副总指挥，带孙锐周和许鸿林2个军6个师，配属1个炮兵团共7000人，自子洪镇沿白晋铁路南下。阎锡山吩咐他们：“这一仗，只许胜，不许败”。
     白晋线沿途山势陡峭，地形狭隘，大兵团不易展开，重武器运输困难，又加上阎锡山拒绝派高倬之从晋南策应，这就使增援处于不利地位，恰好中了刘邓的妙计。
     此时，正值晚秋季节，阴雨连绵，道路泥泞、山洪暴发，不仅徒步行走困难，就是连火车也接连发生故障；同时，阎军士兵除自带大量弹药外，还给长治守军带了许多弹药，背负过重。他们沿着崎岖的山路行进，一日仅能前进二、三十里，食宿困难，士气低落，怨声不绝，每日打电报给阎锡山，叫苦不迭。但阎锡山只想着迅速解长治之围，对下级的苦痛全然不顾，仍然每天督促他们迅速前进。
     听到阎军来援的消息，刘、邓一方面命令部队继续攻击长治，吸引阎之援军；一方面立即调太行纵队和太岳纵队主力，兼程北上，求歼援军于运动中。10月2日，阎锡山援军行至老爷岭附近地区，被八路军团团包围。经过五天激战，除2000人逃回沁县外，其余全部被歼，总指挥彭毓斌被击毙，副总指挥胡三余被俘。
     彭毓斌被围的消息传到太原，阎锡山如坐针毡，坐卧不安，食不甘味。彭军被歼后，阎锡山一面连夜派赵承绶去沁县处理善后，一面电令史泽波、续汝楫突围向临汾转移。