太原是山西的省会，位于太原盆地的北端，同蒲铁路和正太铁路交会于此，是全省政治、军事、经济、文化的中心，也是华北重要的工业基地之一，自古即是军事要地，因此成为日军侵略华北的重要目标。
抗战爆发后，日军将山西列为华北作战的重点，衣沿平绥、平汉、正太铁路会攻晋省，为此，阎锡山积极组织起太原会战，以图力保省会太原。基于“守土抗战”的需要，接受了共产党“联合抗日”的建议，并认为“国事危机，非集合全国财力人力不足以渡此难关”， 最终在晋省境内率先建立起抗日民族统一战线，据此，八路军三个作战师得以相继开赴山西抗战前线。与此同时，阎屡请中央速派得力中国军队援晋抗日，蒋介石“为挽回危机，着眼于山西要地之确保，决定专用于平汉线兵力，1937年10月2日命卫立煌统帅4个半师，连夜由石家庄向太原以北地区集中” 。除此之外，又陆续有高桂滋第17军、刘茂恩第15军等部队支援山西抗战。
日本中央统帅部于1937年10月1日决定攻取太原，当日即“命华北方面军司令官以一部兵力，由太原北部进攻太原”。 [8] 对此，阎锡山积极组织起忻口战役。日军攻占崞县、原平后，即以板垣指挥的第5师团及关东军第1、第12师团等部，以中央突破的方法攻击忻口阵地之南怀化高地，战斗异常机烈。10月13日至18日，日军虽反复争夺，中国军队据险死守，且阵线稳固。此外，八路军也在后方积极活动，“八路军自晋北作战以来，施展其游击之擅长……敌军捉莫不定，至于奔命，屡受重创” ，此时战斗态势一度对中国军队有利 。
日本华北方面军司令官1937年10月17日又令“第1军之一部(第20师团)于石家庄会战后，由正太线方面进入太原平地，21日又将109师团之一部增强该部”， 以配合由晋北南下的日军会攻太原，山西抗战形势遂发生剧烈变化。为此，由第二战区副司令长官黄绍竑率孙连仲、曾万钟等所属部队组织起娘子关战役，衣阻敌西进。配备在娘子关一线的中国军队多为地方军，武器装备落后，且编制不全，战斗力较弱，中国军队虽经努力抵抗，娘子关还是于10月26日易手，至此，太原东面门户洞开。中国军队在娘子关战役的失利，使忻口战线的侧背受到威胁，有被包抄的危险，忻口中国军队不得不向太原集结。
根据阎锡山的指示，卫立煌于1937年11月2日下令，对部队的编成、任务区分作了明确的规定。其要旨如下：
以第15、第17军(欠第21师)等部为右兵团，第15军军长刘茂恩为兵团长，以主力确保莱水墕、川套里、窑子上之线阵地;
以第19、第61军，第35军一部及第21、第47(已到达太原)、第54、第72、第73师等部为中央兵团，第19军军长王靖国为兵团长，其主力配置于西黄水、育龙镇至周家山之线阵地;
以第14军及第68、第71、第94师等部为左兵团，第14军军长李默庵为兵团长，其主力配置于观象坡至西青善及东墕村至天门关之线阵地;
以炮兵第5、第23、第28团为炮兵集团，炮兵司令刘振蘅为指挥官，其主力占领凤楼阁、阳曲镇及栏岗村等阵地;
以第85师及独立第5旅、529旅为总预备队，分别配置于太原、新城村、新店村附近;飞行队由陈栖霞为指挥官，负责轰炸由忻口南进之敌。
各兵团接受命令后，当即于11月2日21时开始向指定位置转移。
在忻口撤守的同一天，阎锡山在太原召开军事会议，确定保卫太原的方针是：“利用太原四周既设阵地线，实行依城野战，以阻敌前进，消灭其兵力，待我后续兵团到达，再施行反攻夹击而聚歼之。 ”同时，委卫立煌为第2战区前敌总司令，除第18集团军及第6集团军外，均归其指挥，委傅作义兼太原守备司令。并将第2战区长官部指挥所移驻交城，第二战区制定了保卫太原城的作战计划。
1937年11月4日，阎锡山等纷纷撤离太原。周恩来于11月5日夜和八路军驻晋办事处最后一批人员撤离太原。
晋北日军在获悉忻口守军撤退后，遂跟踪追击。4日，B近石岭关。鉴于原预设阵地已难以立足，卫立煌遂决定将阵地转移于太原北郊。与此同时，由晋东方面西撤之部队，除第27路军及第17、第27师撤向太原附近外，其余部队均遭日军截击，被迫向榆次西南撤退。
以第35军为主的太原守城部队先后于11月4日、5日进入城内。傅作义下令封闭城门、构筑与加强城防工事，并部署了守城兵力：以第35军第211、218旅和正太护路军1个团守备东、北两面城墙;以独立第1旅守备西城;以第213旅守备南城;将炮兵大部分配给守城各旅，将未分配守城任务的部队编为预备队;并以第35军副军长曾延毅为太原城戒严司令，负责维持城内秩序。
进攻太原的日军，从东、北两个方向紧追撤退的中国军队。东线日军先头部队于11月4日已进至太原城东南约17公里的鸣谦镇，并占领了榆次，一部向介休方向追击。北线日军也于4日越过石岭关向南追击。
1937年11月5日，东、北两线追击的日军已B近太原城郊，日本空军也开始对太原市进行有计划有针对新的轰炸。在北郊派出的守军警戒部队迅速退入城内。日军第5师团所部当即占领了城东北的厚堂村、黄国梁坟和兵工厂。从城南郊攻击的日军第20师团所部在鸣李村附近与正在奉令北上的中国第22集团军第41军后续部队遭遇，发生战斗。尔后日军攻占了小店镇，与位于吴家堡一带的守军第14集团军所部隔汾河对战。日军第20师团并以一部兵力由榆次经同蒲路南进追击撤退的中国军队。此时，由忻口前线撤退下来的划归守城部队的第71师和独立第7、第8旅到达彭村、西充地区，并准备入城。因日军攻击甚烈，通路被阻，仅独立第8旅的1个营渡过汾河进入城内，其余均沿汾河西岸南撤。
1937年11月6日，由忻口南下和沿正太路西进的日军相继B近太原城郊。卫立煌除抽调第68师(即独立第8旅)、第71师及独立第7旅等部增援第7集团军守备太原城外，将主力转移至太谷 、交城之线，以阻止日军沿同蒲路继续南侵。在外围防守部队相继南撤后，守卫太原城垣的部队，仅有第35军的9个营及独立第1旅、第213旅等部10个营，共约19个营的兵力。奉命增援守城的部队，除独立第8旅之1个营于6日21时渡过汾河，进入城内外，其余部队均因受阻而循汾河西岸南撤，“依城野战”变成了“孤城独战” 。日军随即从东、北、西三个方面包围太原城，陆续扫清了傅作义布署在城墙外围的守军。日军炮兵在敌机指示目标下，从四周高地向太原猛烈炮轰。在日军火力的集中轰击下，东北段城墙逐渐被打成缺口，崩落的碎砖土块在城下摊成斜坡，守军连夜封堵修复缺口。日军飞机还在这一天撒下传单，扬言将在次日早晨开始进攻，要求守军投降，第三方人员迅速出城等。
1937年11月7日晨，由晋东西进的日军第109师团第31旅团的先头部队进至太原城南约15公里的小店镇，一部进抵双塔寺，与城东的第20师团会合。此刻城西汾河各桥均被敌占领，太原城遂完全陷于被包围状态。同时，东、北两面敌以步、炮联合向城垣猛扑，日机不断向城内轰炸。守军城外部队受日军压迫，战斗至黄昏后撤入城内据守。城垣炮垒队的炮位多被日军炮火制压或轰毁。20时，日军炮击更烈，市民四逃，警察、守仓库士兵以及通信机关人员多放弃职守，逃散一空，第35军副军长曾延毅命令守军搬开沙袋，从大南门一个缺口中仓惶出逃，戒严副司令马秉仁从炮兵色口逃出城外。电话随修随断，消息梗阻。形势至为险恶。傅作义巡视各地，一面鼓励士气，一面策划方略，守军伤亡很大，此时所剩兵力仅第35军7个营、新编第3团4个连，战斗官兵共计2000余人。
1937年11月8日晨，担任攻城的日军第5师团将步、炮全集太原城下，在东、北两面猛烈攻击。日机13架轮流轰炸，北城楼被焚，城内东部和北部到处起火，电话逐段被毁，火焰弥漫全城。至9时，城垣东北角及西北角被炮火轰毁，东、北两面城墙亦被轰开缺口十余处，城墙各掩蔽部及弹要洞多被轰塌。日军步兵在其飞机、大炮掩护下向城内猛冲。在城墙下埋伏的炮垒队亦被击散。预定歼敌计划概失效用。但守军东、北两城步兵一面与入城日军拼杀，一面封锁城墙各口。双方伤亡殊重。至16时，城墙各口均被守军封锁，仅东北城角一处，千余日军入城，与守军机烈巷战。黄昏后，日军又向城内增加大量步兵，利用夜SE隐蔽，夹杂混战，处处突袭。守军官兵伤亡甚多，西、南两处部队及预备队被日军击散。黄昏后，日军一部空降于城中大校场，并四出袭击。19时，日军攻至总司令部。此时因守军兵力不敷分配，除总司令部官佐及特务连勉力抵抗外，别无部队可资应援。傅作义感到局势无法挽回，乃于21时下令撤退。守城各部队由大南门突围，经汾河桥冲至汾河西岸，向古交镇方面撤退。太原城沦陷。
