忻口戰役和娘子關戰役結束後，太原的北大門和東大門失守，太原徹底暴露在日軍兵鋒之下。
    作為山西的土皇帝，閻錫山心裏非常不願意放棄太原逃跑，他還想憑借著手中剩餘的兵力堅守太原。但是忻口和娘子關戰役的失敗，整個第二戰區籠罩在失敗的陰影之中，全軍上下士氣低迷，恐日情緒日益漸增。明眼人都看得出來，太原城淪陷已經是板上釘釘，但是卻沒有人敢在閻錫山麵前說出這句話。
    忻口撤退的同一天，閻錫山在太原召開軍事會議，商討守衛太原的問題。會議上，中央軍、西北軍、川軍將領都認為太原已是死地，堅守太原隻會白白損耗兵力，不利於後續持久抗戰，不願意承擔守城任務。閻錫山見他們如此行徑，氣得七竅生煙。他雖然是第二戰區司令長官，卻拿這些將領沒有任何辦法，如今晉綏軍各部傷亡慘重，山西還要靠這些人來守。
    此時晉綏軍各將領雖然也認為太原淪陷不可避免，但作為山西本土人，丟土而逃他們內心也不願意。到誰都清楚，留下來守太原那基本上是九死一生，因此參會的晉綏軍將領也全都保持沉默，不發一言。
    此時閻錫山看著參會眾將領全都低頭沉默不語，氣得七竅生煙，憤恨地發問：“值此太原危急時刻，難道就沒有一個人願意出來力挽狂瀾嗎？諸位難道就忍心眼睜睜看著太原淪入日寇之手，太原百姓被日寇鐵蹄踐踏嗎？”然而閻錫山的話並沒有激起在場將領的熱血，場麵一下冷了下來。
    看著閻錫山一臉焦急卻又無奈的樣子，第 7 集團軍司令傅作義再也不願沉默下去，當即起身怒拍桌子，大義凜然地說道：“既然在場諸位都不願意留下，身為山西人，我是無法拱手把太原讓給日本人，閻長官，我願意留下承擔守衛太原的任務。”
    在場將領看到傅作義起身接下了守衛太原的任務，全都內心鬆了一口氣，紛紛表示支持傅作義擔任太原守備司令。
    閻錫山看著眾人，內心極度厭惡，同時對於傅作義的挺身而出卻是深感欣慰。於是閻錫山當場任命傅作義為太原守備司令，統一指揮晉綏軍各部保衛太原。在會議上，閻錫山指示傅作義利用太原周邊既設陣地。實行依城野戰，節節抵抗，阻擊日軍，消耗其兵力，待後續增援兵團到達後，再實行反攻，內外夾擊以聚殲日軍。隨後閻錫山委任衛立煌為第二戰區前敵總司令，指揮第二戰區除第 18 集團軍、第 6 集團軍以外所有部隊，並將第二戰區長官部指揮所移駐到交城。
    11 月 4 日，閻錫山率領第二戰區長官部撤離太原，臨走時閻錫山看著身後的太原城，萬般不舍。他緊握前來送別的傅作義雙手，叮囑道：“一定要守住太原，不敢丟太原呐。”
    11 月 5 日夜，八路軍駐晉辦事處最後一批人撤離太原。
    就在閻錫山撤離太原的同一天，忻口日軍逼近石嶺關。鑒於此地原預設陣地已難以立足，衛立煌遂下令部隊轉移至太原北郊構築防線。與此同時，由晉東撤下來的部隊，除了 27 路軍及 17 師、27 師撤向太原附近外，其餘部隊均遭到日軍截擊，被迫向榆次西南撤退。
    以 35 軍為主的守城部隊在 4 日、5 日兩天全部進入太原城內。隨後傅作義下令封閉全城，構築加強城防工事。根據傅作義的部署，35 軍 211、218 兩個旅和正太路護軍一個團守備東、北兩麵城牆；獨立第 1 旅守備西城；213 旅守備南城。傅作義將城內大部分炮兵分配給守城各旅，將未分配任務的部隊全部編為預備隊，策應各方。
    11 月 6 日，由忻口南下和沿正太路西進的日軍相繼擊破太原外圍陣地，抵達太原城郊。衛立煌抽調獨立第 8 旅、獨立第 7 旅、71 師增援太原城，但遭到日軍阻擊，除獨立第 8 旅一個營渡過汾河進入太原外，其餘各部均被迫南撤。戰至此時，太原周邊部隊已全部被日軍擊退，太原城成為了一座孤城。
    日軍從東、北、西三麵圍城，以飛機、大炮猛攻太原城牆，並派出飛機向城內灑下傳單，要求守軍投降。
    7 日晨，日軍第 109 師團第 31 旅團占領太原城南 15 公裏的小店鎮。至此，太原城徹底陷入日軍包圍之中。
    同日，東、北兩麵日軍向太原城發起猛攻，並派出飛機不斷轟炸城內。整整一個白天，槍炮聲不斷，城外各部陣地相繼被日軍占領，守軍盡數退入城內防守。晚上八點，日軍炮擊力度加大，城內一片混亂，第 35 軍副軍長命人搬開沙袋，從南門倉惶而逃，嚴重影響守軍士氣。傅作義不得已之下，親自巡城，一麵鼓舞士氣，一麵組織兵力重新部署防線。此時，守軍各部傷亡慘重，城內兵力僅剩 7 個營又 4 個連，戰鬥人員僅為 2000 人左右。
    11 月 8 日上午，日軍第 5 師團集中炮火，將太原城東、北兩麵城牆轟塌多處，其步兵衝進城內。此時太原城內因為日軍飛機轟炸，全城燃起大火，烈焰衝天。
    傅作義見此，遂組織兵力與日軍展開巷戰，同時命令城牆守軍全力封堵被炸塌的缺口。戰至下午 4 點，城牆缺口除東北角外全被堵住，但日軍千餘人卻衝進了城內。
    黃昏後，天色漸黑，日軍乘機增兵，借助夜色突襲，殺入城內，同時以一部兵力空降城中大校場，四處襲擊。
    守軍各部傷亡慘重，陣地不斷失守。晚上 7 點，日軍攻到了總司令部。無兵可用的傅作義隻得組織司令部人員和特務連加入戰鬥，抵擋日軍。
    激戰 兩個小時，日軍越聚越多，傅作義深感大勢已去，無力挽回。於是在晚上 9 點，傅作義下令守軍各部由南門突圍，撤出太原。
    守軍各部接到命令後，迅速突出包圍，經汾河橋衝至汾河西岸，向古交鎮方向撤退。至此，太原城淪陷。
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