战役打响
1948年10月2日，太原守军为破坏人民解放军的战役准备，并抢粮抓丁，以7个师的兵力沿汾河以东、同蒲铁路(大同—风陵渡)以西向南出击。
1948年10月3日，暂编第44、第45师和第72师一部进至小店镇、西南畔村等地;暂编第40、第49、第73师等部进至秋村、西温庄等地;第66、第69师集结红寺地区。徐向前决心抓住守军TUO离防御阵地的有利战机，提前发起太原战役，先在野战中歼其有生力量。
1948年10月5日拂晓，第7纵队主力由清原东渡汾河，直擦小店镇以北;第15纵队由太谷、榆次向西出击，直擦武宿机场以北，与第7纵队成东西夹击之势，切断已进至小店镇和武宿机场国民党军通向太原的退路，并准备阻击太原守军南援;第8纵队、第13纵队迅速包围已进占小店镇、南黑窑等地的国民党军。
1948年10月6日凌晨，歼灭暂编第44、第45师全部和第72师、暂编第49师各一部。随后各纵队继续扩张战果，攻占武宿机场及多处据点，并抵近东山堡垒地域南侧。第7纵队一部为策应小店地区作战，在城北凤阁梁一带歼第68师1个多团和暂编第39师1个营，并用炮火控制城北新城机场。 各部队经11天机战，歼国民党军2个师、3个团又7个营，共毙伤俘1.2万余人，迫近并部分突破太原南北守军第一道防线。
1948年10月16日，第7、第13、第15纵队和第8纵队一部在晋中军区部队配合下，分由南北两面迅猛地向东山要塞守军发起攻击。
1948年10月19日，相继攻占黑驼、石人梁、大窑头、大小北尖、榆林坪、孟家井和牛驼寨等筑垒阵地，歼守军一部，迫使罕山守军1个团投降，占领东山主峰罕山及大部阵地。
阎锡山集中第30军和留用的日本军人为骨干组成的暂编第10总队，在炮火支援下向牛驼寨实施多次猛烈反扑，第7纵队等部顽强抗击，机战3日，予敌以重大杀伤后撤出牛驼寨。
1948年10月26日，第1兵团司令部为摧毁守军东山防御阵地，夺取攻城依托，再次调整部署，分别以第7、第8、第15、第13纵队夺取牛驼寨、小窑头、淖马、山头等东山四大要点。 守军在空军配合下，凭借险要地势固守顽抗，并施放毒气弹、燃烧弹。第1兵团等部勇猛突击，多次打退守军反扑，经19昼夜反复机烈争夺。
1948年11月13日，攻占东山四大要点，歼灭守军2.2万余人，并争取了守军第8总队起义。与此同时，晋中军区部队攻占城北青龙镇、城南许坛以及汾河西岸的南北堰等据点，紧缩了对太原城的包围。
在此期间，守军第30军军长黄樵松派代表与人民解放军攻城部队接洽起义事宜。第1兵团随即派员入城协助组织起义。但因被出卖，黄樵松等遭逮捕和杀害，起义未能实现。
缓攻太原
在中共中央军委统一部署下缓攻太原，休整部队和开展政治攻势。11月上旬辽沈战役结束后，国民党军华北“剿匪”总司令傅作义集团已成惊弓之鸟。中共中央军委考虑到太原攻克过早，有可能使傅作义集团感到孤立而由平津地区南逃或西撤。
为稳住傅作义集团，于1948年11月16日发出缓攻太原的电令。
华北军区第1兵团遵照中共中央军委有关战略决战的统一部署，从1948年12月1日开始，以一部兵力攻占太原城东松树坡，城北苏村、阳曲、兰村，城南化七头、赵家山、邱沟等据点，以火力封锁了城西、城北的飞机场，将守军进一步压缩在纵横各不过15公里的狭小区域内。之后，以部分兵力坚守前沿阵地，监视守军，主力转入休整。
同时，围城各部队通过战场喊话、散发传单、动员守军官兵亲属规劝等方式，广泛开展政治攻势，促使大批守军起义投诚，至1949年3月共瓦解守军1.2万余人。通过阵前练兵，进一步提高了部队的攻坚能力。
各路前来
1949年1月平津战役结束后，华北军区第1、第2、第3兵团分别改称第18、第19、第20兵团，西北野战军第7纵队改称第一野战军第7军。
1949年3月，第19、第20兵团和第四野战军、华北军区各1个炮兵师，奉中共中央军委命令开赴太原前线，会同第18兵团等部总攻太原，使太原前线人民解放军的总兵力增至32万余人，与守军相比占绝对优势。
1949年3月17日，中共中央军委决定组成以徐向前为书记的中共太原前线总委员会和以徐向前为司令员兼政治委员的太原前线司令部，统一指挥参战部队。
1949年3月28日，人民解放军副总司令、第一野战军司令员兼政治委员彭德怀由中共中央驻地返回西北途经太原前线，参与指挥总攻太原的作战。
攻克太原
太原国民党军经前一阶段作战，连同被围困期间的损失，兵力已消耗4万余人。但已处绝境的阎锡山非但拒绝人民解放军和平解放太原的劝告，反而抓丁征兵扩充军队，编组“神勇师”、“铁血师”、“坚贞师”。并从榆林空运第83师到太原，使太原守军仍保持6个军的兵力，连同非正规军共约7万人，组成第10、第15兵团部。其部署是：以12个师防守太原外围，以2个师防守市区，其余兵力作为机动，但战斗力甚弱。
1949年2月15日，阎锡山乘飞机逃离太原，指令“绥靖”公署副主任兼第15兵团司令官孙楚、太原防守司令兼第10兵团司令官王靖国指挥太原守军继续顽抗。
1949年3月31日，中共太原前委确定了“割裂包围外围之敌，进行连续攻击，争取歼其大部或全部，占领攻城有利阵地，尔后集中全力攻城”的战役方针和部署：第20兵团和第7军1个师由城东北、城西北进攻北区守军;第19兵团和晋中军区部队由城南和城西南进攻南区和西区守军;第18兵团和第7军主力由城东进攻仓库区，并配合第19、第20兵团进攻东南区和东北区守军;第四野战军炮兵第1师主力、华北军区炮兵第3师(由炮兵第1旅改称)由太原前线司令部直接指挥，华北军区炮兵第4师和第四野战军炮兵第1师一部配属第19、第20兵团作战。
1949年4月20日全线开始进攻。各部队在强大炮火支援下，采取勇猛穿擦、分割包围、各个歼灭的战法，迅速突破守军防线，相继占领城北新城、太子头，城西南北汾河桥、大王村、小王村，城南狄村、老军营，城东郝家沟、剪子湾等地。
至1949年4月22日，全部攻占外围据点，歼灭守军12个师，并控制了双塔寺、卧虎山制高点，直B太原市区。为减轻对太原市区的破坏和市民生命财产的损失，太原前线司令部于22日向守军发出劝降通牒，孙楚、王靖国等人仍拒不投降。
1949年4月24日凌晨，攻城部队用1300余门火炮进行火力准备后，对城垣发起总攻。第20兵团首先由小北门东侧突破城垣，第18、第19兵团也相继攻入城内，与守军展开巷战。入城部队以小型爆破手段，迅速开辟前进道路，向守军指挥中心勇猛进攻。9时许，攻入太原“绥靖”公署，俘孙楚、王靖国和日本顾问今村、岩田等人。至10时，太原守军被全部歼灭。
战役结果
太原战役，人民解放军伤亡4.5万人，歼灭国民党军1个“绥靖”公署、2个兵团部、6个军部、20个师，共毙伤俘13.5万余人。太原解放后，大同国民党守军万余人见大势已去，也于4月29日接受改编，大同和平解放。至此，山西全省解放，结束了阎锡山对山西省人民长达38年的统治。
影响
太原战役的胜利，拔除了国民党反动统治在华北的最后堡垒，标志着山西全省解放，结束了阎锡山对山西省长达40年的统治;太原的解放，标志着华北地区的彻底解放，推动了全中国解放战争的进程。
