11 月 6 日，由忻口南下和沿正太路西进的日军相继击破太原外围阵地，抵达太原城郊。卫立煌抽调独立第 8 旅、独立第 7 旅、71 师增援太原城，但遭到日军阻击，除独立第 8 旅一个营渡过汾河进入太原外，其余各部均被迫南撤。战至此时，太原周边部队已全部被日军击退，太原城成为了一座孤城。
日军从东、北、西三面围城，以飞机、大炮猛攻太原城墙，并派出飞机向城内洒下传单，要求守军投降。
7 日晨，日军第 109 师团第 31 旅团占领太原城南 15 公里的小店镇。至此，太原城彻底陷入日军包围之中。
同日，东、北两面日军向太原城发起猛攻，并派出飞机不断轰炸城内。整整一个白天，枪炮声不断，城外各部阵地相继被日军占领，守军尽数退入城内防守。晚上八点，日军炮击力度加大，城内一片混乱，第 35 军副军长命人搬开沙袋，从南门仓惶而逃，严重影响守军士气。傅作义不得已之下，亲自巡城，一面鼓舞士气，一面组织兵力重新部署防线。此时，守军各部伤亡惨重，城内兵力仅剩 7 个营又 4 个连，战斗人员仅为 2000 人左右。
11 月 8 日上午，日军第 5 师团集中炮火，将太原城东、北两面城墙轰塌多处，其步兵冲进城内。此时太原城内因为日军飞机轰炸，全城燃起大火，烈焰冲天。
傅作义见此，遂组织兵力与日军展开巷战，同时命令城墙守军全力封堵被炸塌的缺口。战至下午 4 点，城墙缺口除东北角外全被堵住，但日军千余人却冲进了城内。
黄昏后，天色渐黑，日军乘机增兵，借助夜色突袭，杀入城内，同时以一部兵力空降城中大校场，四处袭击。
守军各部伤亡惨重，阵地不断失守。晚上 7 点，日军攻到了总司令部。无兵可用的傅作义只得组织司令部人员和特务连加入战斗，抵挡日军。
激战 两个小时，日军越聚越多，傅作义深感大势已去，无力挽回。于是在晚上 9 点，傅作义下令守军各部由南门突围，撤出太原。
守军各部接到命令后，迅速突出包围，经汾河桥冲至汾河西岸，向古交镇方向撤退。至此，太原城沦陷。
