地处山西中部的太原,东、西、北三面环山,城四周耸立着12米高的城墙,市区面积为9平方公里。这里是正太铁路与同蒲铁路的交汇处,更是阎锡山发迹之地和统治山西20多年的首府,是他的官僚资产的集中地。
在忻口、娘子关战役打得正激烈之时,坐镇太原的阎锡山就考虑太原的防守问题。他极想保住太原,但面对分3路前来会攻的10万日军,太原是难以坚守的,他决定经过战斗之后再放弃这座古城。当时,中共代表周恩来曾建议:“保卫太原必须背靠山地,在野战中求得胜利,不应以众多的兵力守城或正面堵击。”阎锡山部分采纳这一建议,决定“依城野战”。即以部分兵力守城来吸引敌人,大量兵力置于城外以包围聚歼来犯之敌。他计划以忻口方面退下来的部队据守太原北郊既设工事,并以一部守汾河西岸高山工事;以娘子关撤退下来的孙连仲部据守太原以东高山工事;以傅作义部死守太原;以已到黎城的汤恩伯军向榆次附近推进,与太原附近部队夹击和歼灭攻城的日军。
11月2日,阎锡山在太原绥署中和斋会议厅举行第二战区高级将领会议,到会的有卫立煌、黄绍竑;有第十四军军长李默庵,第十五军军长刘茂恩,第十七军军长高桂滋,第二十六路军总指挥孙连仲,有山西省主席赵戴文,战区参谋长朱绶光;有傅作义,及晋绥第六集团军总司令杨爱源,第十九军军长王靖国,第三十三军军长孙楚,第六十一军军长陈长捷,骑兵司令赵承绶等。阎锡山让大家讨论守卫太原问题,并谈了自己的计划。谁知将领们一言不发。黄绍竑反对阎的计划,认为放弃一个省城在当时会展动全国,因而不可轻易放弃,但因各部队都很疲惫,所以又不可以野战来支持守城,而应以守城支持野战部队休整。黄的意见得到卫立煌、孙连仲的支持,但阎锡山则坚持自己的计划不变,晋绥军将领虽不同意阎的计划,但又不敢表示异议。在研究守城部队时,无人敢站出来承担,傅作义见诸将领畏畏缩缩,便慨然表态说:“弃土莫如守土光荣,太原城我守吧!”会议开到凌晨1点多钟,黄绍竑仍坚持己意,阎锡山说:“军队已经行动了,要改变也无从改变了。”原来,阎在会前已将命令直接下达给各部队了。最后,阎锡山委任卫立煌为第二战区前敌总司令,指挥除第十八集团军和第六集团军之外的各个部队,委任傅作义为太原守备司令,并决定省政府移驻临汾,第二战区司令长官行营移至近省地方指挥。11月4日,阎率赵戴文等匆匆离开太原,5日到交城,7日到大麦郊,24日到了临汾。
周恩来也参加了阎锡山的军事会议,对接受守城任务的傅作义表示敬意。11月5日周与八路军办事处彭雪枫撤离太原时,和傅作义话别,对说:你是守城名将,勇敢善战,是可以依赖的。但现在进行的战争是反侵略战争,这就规定了战争性质的持久性、复杂性。焦土抗战的主张是错误的;只顾一城一地之得失,也是不足为训的。要从最后胜利看问题能够争取时间就是胜利,能够保存有生力量就是胜利。务请深思熟。傅对周恩来的谈话深表感谢。

傅作义的守城部队仅1万余人,战斗兵力只6000余人,山野炮百余门,主要依靠第三十五军的两个旅,即孙兰峰二一一旅和董其武二一八旅。此外还有杨维垣的二一三旅及地方保安部队。经几个月的连续转战,伤亡惨重,傅部的孙、董两旅,兵力不及战前的两个团。接受守城任务后,仓促间补充了一部分新兵,官兵之间、士兵之间都互不认识,既缺乏训练,又没有感情。城防工事也未认真构筑,城周要点仅有少数钢筋混凝土重火器掩体,守城部队进城后,才在城墙根部挖掘炮兵及轻重机枪掩体,在城墙顶部构筑散兵阵地。根据现有兵力,傅作义令孙兰峰二一一旅为东城守备部队,从城东北角起经小东门到大东门,并在享堂村、小东门、黑土巷等地,占领前进阵地;董其武二一八旅为北城守备部队,从大北门起经小北门到东北角,并在北门外兵工厂一带,占领阵地;七十三师(师长刘奉滨作战受伤疗养,由王思田代理师长)师部(只有一个团的兵力)为东南角守备部队,东接二一一旅大东门以南,南接二一三旅新南门以东;杨维垣二一三旅(原属六十一军李服膺所辖)为南城守备部队,并在南城外占领前进阵地;陈庆华新编独立第一旅为西城守备部队,从旱西门到大北门,占领阵地。100多门山野炮,除在鼓楼上配备一个野炮连和一个高射炮连外,其余均配属于东西两城的守备部队,进人城墙根部的掩体内。11月3日和4日,从忻口撤回的部队在敌人尾追下不成军,漫山野潮涌而下,从太原东西两侧向南溃逃;担任依城野战总指挥的卫立煌因不同意阎的计划,自率3个军退向晋南;应占领东山阵地的陈长捷向韩侯岭以南撒退;娘子关方面的部队也经榆次向南退。到11月6日,太原附近已没有中国军队,依城野战计划成了一纸空文,太原成了孤城孤战。在太原保卫战进入紧张阶段时,第三十五军副军长曾延毅临阵脱逃。据刘一平《保卫太原之役的见闻》说,曾延毅是11月8日早上逃跑的。曾是傅作义在保定军校的同学,1927年傅以一师兵力固守涿州达3个月时,曾是博的炮兵团长,1928年至1930年傅任天津警备司令时,曾任天津市公安局长,搂了不少钱。中原大战后傅退绥远任省主席兼三十五军军长,曾任二一八旅旅长。傅认为“军人不能有钱,有了钱就怕死”,故在红格尔图和百灵庙战役前,1936年把曾调为副军长,让董其武接任二一八旅旅长。在日军进攻太原时,曾以出城巡察阵地为借口,带手下亲近人员从大南门乘马逃走,对守城士气产生了一定影响。11月5日,坂垣征四郎率部侵入阳曲,川岸文三郎部也逼至鸣谦、鸣李一带,并向小店、晋原县、清源县推进,对太原形成南北夹击之势。飞机在太原上空盘旋轰炸,近百门山炮、野炮、榴弹炮向城内轰击。6日拂晓,日军兵临城下,几十架飞机、百余门重炮轰炸城防工事,三丈六尺高城墙炸成不过两丈高的土坡,城东北角被轰塌,敌人在此组织强攻,守军组织反击,并将豁口修复。7日,敌人全线进攻,守军顽强抵抗,双方伤亡惨重。8日拂晓,敌人再次发起攻势。中午时分,城东北角守军四三五团李登明营长和大部分连长战死哉土伤亡过半,豁口处墙垣变成几米高的土坡。敌人在坦克掩护下,从这里冲入城内,后续部队也相继拥入。董其武旅长得知上述情况后,立即率预备队驰援,在小东门、小北门之间的大教场、坝陵桥一带与敌展开巷战。这时,守军上下级之间、比邻部队之间通讯联络设备均被炮火破坏,形成各自为战的状态,一直战斗到黄昏以后。下午4时以后,敌机数次载兵降落城内大教场,增加兵力,扩大战场,并以一部占领新南门外火车站,一部西渡汾河,占领汾河桥和汾河西岸阵地,守城部队已面临全军覆没的境地。黄昏以后,蒋介石下达了“相机撒退”的电令,傅作义遂于晚8时下令全城守军撤退突围。因所有城门被堵塞,短时间开不了城门,聚集于此的部队越来越多,有的跳城墙而出有的从炮兵阵地发射口爬出。因城南要道和汾河桥被占领与火力封锁,出了城的人汇集在大南关及晋恒造纸厂一带,无法行动。在不得已情况下,只好从汾河东岸涉水西逃,被水淹死者不少。傅作义和参谋长陈炳谦在警卫人员护送下,渡过汾河,由炭窑沟上了西山,到石楼、中阳一带收集旧部。太原于此日失陷。

太原战役我军战斗序列为:
总指挥:第七集团军总司令兼第三十五军军长傅作义。第三十五军(军长傅作义),辖第二一一旅,旅长孙兰峰,下有第四一九团(团长袁庆荣),第四二一团(团长刘景新),第四二二团(团长王雷震);第二一八旅,旅长董其武,下有第四二〇团(团长李思温),第四三五团(团长许书庭),第四三六团(团长李作栋)。第七十三师师部,代师长王思田。
第二一三旅,旅长杨维垣,下有第四二五团(长李在溪),第四二六团(团长高朝栋)。
新编独立第一旅,旅长陈庆华,下有新编第一团(团长姚祥),新编第十一团(团长阎太平),新编第六团(团长续林)。
炮兵第二十一团(图长李柏庆)。
炮兵第二十五团(团长刘振蘅)。
炮垒大队(大队长郝庆隆)。
高射炮连。
绥远宪兵第七、八、十队。
绥远保安队第一、二、三中队。
日军战斗序列为:
总指挥:华北方面军第一军司令官香月清司中将。
北路军总指挥:第五师团师团长坂垣征四郎中将。
第五师团,师团长坂垣征四郎中将,参谋长西温利村大佐。辖步兵第九旅团,下有步兵第十一联队(联队长长野佑一郎大佐);步兵第二十一旅团,旅团长三浦敏事少将,下有步兵第二十一联队(联队长粟饭原秀大佐),步兵第四十二联队(联队长大场四平大佐);骑兵第五联队(联队长小崛是繁大佐);野炮兵第五联队(联队长武田馨大佐);工兵第五联队(联队长和田孝次中佐);辎重兵第五联队(联队长原口真一大佐);第五师团通讯队、卫生队、第一至第四野战医院。混成第十五旅团(筱原兵团),旅团长原诚一郎少将,下有步兵第十六联队(联队长后藤十郎大佐),步兵第三十联队(缺一个大队,联队长猪鹿仓彻郎大佐),骑兵第二联队(联队长本多武男中佐),野炮兵第二联队(联队长高桥确郎大佐),工兵第二联队(联队长伊藤精大佐),辎重兵中队(中队长千叶松太郎少佐),通讯队(队长滨地喜代太少佐),关东军第二卫生班(班长小川昌夫中佐)。
堤支队,支队长堤不夹贵中佐,下有步兵中队二,机关枪中队一,步兵炮队一,装甲汽车中队一。
营岛支队,支队长萱岛高大佐,下有步兵第二联队,战车中队一,骑兵中队一,工兵中队一。
第一〇九师团步兵一三六联队(两个大队)。
混成独立第一旅团机械化步兵联队。
东路军总指挥:第二十师团师团长川岸文三郎中将。
第二十师团,师团长川岸文三郎中将,参谋长杵村久藏大佐。辖步兵第三十九旅团,旅团长高木义人少将,下有步兵第七十七联队,联队长鲤登行一大佐。(此人在娘子关战役中被打死),步兵第七二八联队(联队长小林恒一大佐);步兵第四十旅团,旅团长山下奉文少将,下有步兵第七十九联队(联队长森本伊市郎大佐),步兵第八十联队(联队长铃木谦二大佐);骑兵第二十八联队(联队长冈崎正一中佐),野炮兵第二十六联队(联队长细川中康大佐),工兵第二十联队(联队长南部熏大佐)。昔阳支队,支队长谷藤长英少将。辖有第一〇九师团步兵第三十一旅团,旅团长谷藤长英少将,下有独立步兵第十一联队(联队长麦仓俊三郎大佐),独立步兵第十二联队(联队长奈良晃大佐),(注:第十一、十二联队中只有一个属昔阳支队)独立骑兵第十一联队(联队长森泽虎龟少佐),独立野炮兵第十一联队(联队长人江莞尔中佐),独立山炮兵第十二联队(联队长冢本善太郎中佐),独立工兵第十一中队,独立重兵第十一中队,山炮兵大队。第一〇八师团步兵第一〇四旅团,旅团长苫米地四楼少将。下有步兵第五十二联队,步兵第一○五联队。