從呂梁山到汾河西岸的直線距離超過一百公里，山路繞行將近一百五十公里，六路縱隊只用了三天時間就全部到位。
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第35軍的騎兵團率先突破日軍防線，在汾河河谷與東線胡璉的第18軍先頭部隊建立了聯繫。
到9月25日，東西兩線部隊已經完成了對太原的合圍。太原城內外的日軍被壓縮在城區和近郊的防禦工事裡。
第18軍控制著太原以東和以南的方向，傅作義的第35軍控制了太原以西和以北的方向。太原城已經被徹底包圍，日軍的偵察兵在白天已經無法出城偵察。
被圍在太原城內的日軍，番號是第1軍司令部、第36師團殘部、第37師團的一個聯隊，以及一些後勤和直屬部隊，總兵力約八千人。
城內的油料儲備在圍城之前就已經見底，僅剩的幾輛坦克因為沒油無法出動，被分散部署在城牆附近作為固定火力點使用。
彈藥儲備也不足，尤其是炮彈，城內的炮兵聯隊平均每門炮只剩下不到半個基數的炮彈。
9月28日，太原總攻打響。
第18軍的重炮群和晉綏軍的山炮群同時對太原城牆和城內目標進行轟擊。
第18軍炮兵旅的三個炮兵團在太原城東面和南面展開，晉綏軍的山炮群在城西面和北面展開。
炮火準備持續了整整一天，從清晨一直打到黃昏。炮擊的重點是城牆上的火力點和城內的日軍指揮部。
密集的炮火將城牆炸開了多個缺口，東城牆炸出了兩個大洞，南城牆炸出了一個更大的缺口，城磚和夯土在爆炸中不斷崩落，揚起的塵土被風卷著飄進城裡。
城內的日軍軍營和指揮所被炮火反覆覆蓋，第1軍司令部的建築物在炮擊開始後的第三個小時就被直接命中，半邊樓塌了下來。
日軍在城牆上組織了頑強的抵抗。炮火一停，城牆上的日軍機槍手就從殘存的垛口後面探出來向城外射擊，但這種還擊力度並不是很強。
第18軍的步兵在炮火掩護下推進到了城牆腳下，工兵用爆破筒和炸藥包在城牆缺口處繼續擴大突破口。
日軍從城牆內側的護牆後面扔手榴彈，爆炸聲在城牆腳下此起彼伏。
東面的進攻由第18軍的一個主力團擔任。這個團是從娘子關一路打過來的，士氣正盛。團長把部隊分成三個梯隊，第一梯隊衝擊城牆缺口，第二梯隊跟進向城內發展，第三梯隊負責鞏固突破口和照顧傷員。衝擊發起後，第一梯隊的一個排最先衝進了東城牆上的缺口。
排長帶著士兵們鑽進缺口時，城牆內側的護牆後面突然冒出了日軍的一個反衝擊小組。
幾個日本兵端著刺刀從護牆後面沖了出來，與衝進缺口的士兵撞在一起，在狹窄的缺口裡打了一場近身格鬥。
士兵們用衝鋒鎗和刺刀把日軍打了回去，排長在格鬥中負了傷，左臂被刺刀劃開了一道口子，但他沒有退下來，繼續帶著人向城牆內側突擊前進。
南面的進攻同樣激烈。第18軍的另一個團在炮火準備後在城南的缺口處發起了衝擊。日軍在缺口後方設置了一個由沙袋和木箱壘成的街壘，架著一挺九二式重機槍，正好封鎖著缺口。
沖在最前面的戰士們猝不及防被掃倒了三人，後面的士兵退了回去，躲在城牆外側的彈坑裡。
連長在彈坑裡觀察了一下日軍街壘的位置，命令機槍組壓制街壘的火力，同時命令兩個戰鬥組從缺口兩側的城牆斷面上爬進去，繞過街壘從側面打。
兩個戰鬥組沿著城牆的斷面攀爬了將近十分鐘，在煙霧和塵土的掩護下摸到了街壘側面的民房後面。兩顆手榴彈扔過去，街壘的機槍頓時被炸上了天。後面的部隊趁機湧進缺口，突破了城南的防線。
西面和北面的晉綏軍進攻相對緩慢。晉綏軍的裝備不如第18軍精良，缺少重炮支援，主要依靠山炮和迫擊炮配合步兵進攻。但傅作義的部隊在近戰方面相當兇悍。
第35軍的士兵們多數來自綏遠和山西的山區，他們雖然個頭不大，但動作相當靈活，他們用集束手榴彈和爆破筒對付城牆上的火力點，一個又一個地拔掉了城西和城北的日軍碉堡。
日軍在城內的抵抗持續了三天。巷戰集中在太原城的東西兩條主街和城中心的府衙區域。
日軍利用城內的磚木結構建築逐屋抵抗，在大街小巷裡設置了許多暗火力點和狙擊手。
第18軍和晉綏軍的部隊在城內逐屋推進，一邊打一邊用粉筆在牆上做標記，標明哪些建築已經清理完畢。
有的院子反覆爭奪了兩三次，打到最後只能用迫擊炮把房子炸平。
10月1日夜間，日軍第1軍司令官率殘部約兩千人從北門突圍。突圍部隊在城北的缺口處遇到了晉綏軍第35軍的阻擊。
傅作義在北門外布置了兩個團的兵力，以逸待勞，將日軍突圍部隊死死堵在城門附近。
日軍連續沖了三次都被打退，屍體在城門口堆成了一座小山。第1軍司令官見突圍無望，在城門附近的城牆上開槍自殺。殘餘日軍在城破後繼續抵抗了將近半天，到10月3日清晨，太原全城被徹底收復。
太原城內的巷戰中，第18軍的一個營長在戰鬥中陣亡了。他帶著部隊向城中心的日軍指揮部推進時，被一個隱藏在民房二樓的日軍狙擊手擊中了頭部。
副營長接過指揮權，立刻指揮迫擊炮轟掉了狙擊手所在的民房。後來清點戰場時，那個狙擊手的屍體被從廢墟中挖了出來，身邊放著兩個已經打空的彈藥箱。
到10月中旬，山西大部已被收復。大同和陽泉的日軍殘部在失去了太原的後勤支撐後相繼撤離，向張家口方向收縮。至此，蘇杭控制的華北行營轄區與閻錫山的晉綏軍控制區連成了一片。