内外夹击以聚歼日军。随后阎锡山委任卫立煌为第二战区前敌总司令，指挥第二战区除第 18 集团军、第 6 集团军以外所有部队，并将第二战区长官部指挥所移驻到交城。
11 月 4 日，阎锡山率领第二战区长官部撤离太原，临走时阎锡山看着身后的太原城，万般不舍。他紧握前来送别的傅作义双手，叮嘱道：“一定要守住太原，不敢丢太原呐。”
11 月 5 日夜，八路军驻晋办事处最后一批人撤离太原。
就在阎锡山撤离太原的同一天，忻口日军逼近石岭关。鉴于此地原预设阵地已难以立足，卫立煌遂下令部队转移至太原北郊构筑防线。与此同时，由晋东撤下来的部队，除了 27 路军及 17 师、27 师撤向太原附近外，其余部队均遭到日军截击，被迫向榆次西南撤退。
以 35 军为主的守城部队在 4 日、5 日两天全部进入太原城内。随后傅作义下令封闭全城，构筑加强城防工事。根据傅作义的部署，35 军 211、218 两个旅和正太路护军一个团守备东、北两面城墙；独立第 1 旅守备西城；213 旅守备南城。傅作义将城内大部分炮兵分配给守城各旅，将未分配任务的部队全部编为预备队，策应各方。
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