日军在获悉忻口守军撤退后，遂跟踪追击。

11月4日，逼近石岭关。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。

11月6日，由忻口南下和从娘子关过来的日军合兵一处，开始继续向太原逼近。

卫立煌抽调第68师（即独立第8旅）、第71师，独立第7旅，增援第7集团军守备太原城外。

之后将主力转移至太谷 、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。

而奉命前来增援太原的部队，除了第8旅的一个营，在6号的时候渡过了汾河，其余均被挡在了汾河西岸。

援军多次想要强渡汾河，但均被日军击退，只能继续沿着汾河西岸南撤。

于是，阎锡山想要依托太原城阻击日军的想法，直接变成了孤城苦战。

7日，日军抵达太原近郊的狄村、双塔寺等地，并且已经全面占领太原西面汾河上的桥梁，对太原实现了包围。

随后，日军向太原城外围阵地和城郭阵地发起猛攻。

在日军飞机，坦克，大炮的攻势下，仅一天的时间，太原外围阵地沦陷，守军几乎全军覆没。

剩余守军只能借助黄昏时分的夜色保护，匆匆撤回城内坚守。

当夜，日军再次发起进攻，傅作义亲自爬上城墙指挥作战，鼓舞士气，这才打退了日军第一天的进攻。

11月8日，日军再次集结大量兵力，对太原发起总攻，当天就有上千名日军冲入到城中，守军开始日军在太原城内展开巷战。

到了8日夜间，已经感觉无力回天的傅作义决定突围，于是傅作义组织士兵，从南门突围成功，随后经文水向离石方向撤退。