戰役打響
1948年10月2日，太原守軍爲破壞人民解放軍的戰役準備，並搶糧抓丁，以7個師的兵力沿汾河以東、同蒲鐵路(大同—風陵渡)以西向南出擊。
1948年10月3日，暫編第44、第45師和第72師一部進至小店鎮、西南畔村等地;暫編第40、第49、第73師等部進至秋村、西溫莊等地;第66、第69師集結紅寺地區。徐向前決心抓住守軍脫離防禦陣地的有利戰機，提前發起太原戰役，先在野戰中殲其有生力量。
1948年10月5日拂曉，第7縱隊主力由清原東渡汾河，直插小店鎮以北;第15縱隊由太谷、榆次向西出擊，直插武宿機場以北，與第7縱隊成東西夾擊之勢，切斷已進至小店鎮和武宿機場國民黨軍通向太原的退路，並準備阻擊太原守軍南援;第8縱隊、第13縱隊迅速包圍已進佔小店鎮、南黑窯等地的國民黨軍。
1948年10月6日凌晨，殲滅暫編第44、第45師全部和第72師、暫編第49師各一部。隨後各縱隊繼續擴張戰果，攻佔武宿機場及多處據點，並抵近東山堡壘地域南側。第7縱隊一部爲策應小店地區作戰，在城北鳳閣樑一帶殲第68師1個多團和暫編第39師1個營，並用炮火控制城北新城機場。 各部隊經11天激戰，殲國民黨軍2個師、3個團又7個營，共斃傷俘1.2萬餘人，迫近並部分突破太原南北守軍第一道防線。
1948年10月16日，第7、第13、第15縱隊和第8縱隊一部在晉中軍區部隊配合下，分由南北兩面迅猛地向東山要塞守軍發起攻擊。
1948年10月19日，相繼攻佔黑駝、石人樑、大窯頭、大小北尖、榆林坪、孟家井和牛駝寨等築壘陣地，殲守軍一部，迫使罕山守軍1個團投降，佔領東山主峯罕山及大部陣地。
閻錫山集中第30軍和留用的日本軍人爲骨幹組成的暫編第10總隊，在炮火支援下向牛駝寨實施多次猛烈反撲，第7縱隊等部頑強抗擊，激戰3日，予敵以重大殺傷後撤出牛駝寨。
1948年10月26日，第1兵團司令部爲摧毀守軍東山防禦陣地，奪取攻城依託，再次調整部署，分別以第7、第8、第15、第13縱隊奪取牛駝寨、小窯頭、淖馬、山頭等東山四大要點。 守軍在空軍配合下，憑藉險要地勢固守頑抗，並施放毒氣彈、燃燒彈。第1兵團等部勇猛突擊，多次打退守軍反撲，經19晝夜反覆激烈爭奪。
1948年11月13日，攻佔東山四大要點，殲滅守軍2.2萬餘人，並爭取了守軍第8總隊起義。與此同時，晉中軍區部隊攻佔城北青龍鎮、城南許壇以及汾河西岸的南北堰等據點，緊縮了對太原城的包圍。
在此期間，守軍第30軍軍長黃樵鬆派代表與人民解放軍攻城部隊接洽起義事宜。第1兵團隨即派員入城協助組織起義。但因被出賣，黃樵鬆等遭逮捕和殺害，起義未能實現。
緩攻太原
在中共中央軍委統一部署下緩攻太原，休整部隊和開展政治攻勢。11月上旬遼瀋戰役結束後，國民黨軍華北“剿匪”總司令傅作義集團已成驚弓之鳥。中共中央軍委考慮到太原攻克過早，有可能使傅作義集團感到孤立而由平津地區南逃或西撤。
爲穩住傅作義集團，於1948年11月16日發出緩攻太原的電令。
華北軍區第1兵團遵照中共中央軍委有關戰略決戰的統一部署，從1948年12月1日開始，以一部兵力攻佔太原城東松樹坡，城北蘇村、陽曲、蘭村，城南化七頭、趙家山、邱溝等據點，以火力封鎖了城西、城北的飛機場，將守軍進一步壓縮在縱橫各不過15公里的狹小區域內。之後，以部分兵力堅守前沿陣地，監視守軍，主力轉入休整。
同時，圍城各部隊通過戰場喊話、散發傳單、動員守軍官兵親屬規勸等方式，廣泛開展政治攻勢，促使大批守軍起義投誠，至1949年3月共瓦解守軍1.2萬餘人。通過陣前練兵，進一步提高了部隊的攻堅能力。
各路前來
1949年1月平津戰役結束後，華北軍區第1、第2、第3兵團分別改稱第18、第19、第20兵團，西北野戰軍第7縱隊改稱第一野戰軍第7軍。
1949年3月，第19、第20兵團和第四野戰軍、華北軍區各1個炮兵師，奉中共中央軍委命令開赴太原前線，會同第18兵團等部總攻太原，使太原前線人民解放軍的總兵力增至32萬餘人，與守軍相比佔絕對優勢。
1949年3月17日，中共中央軍委決定組成以徐向前爲書記的中共太原前線總委員會和以徐向前爲司令員兼政治委員的太原前線司令部，統一指揮參戰部隊。
1949年3月28日，人民解放軍副總司令、第一野戰軍司令員兼政治委員彭德懷由中共中央駐地返回西北途經太原前線，參與指揮總攻太原的作戰。
攻克太原
太原國民黨軍經前一階段作戰，連同被圍困期間的損失，兵力已消耗4萬餘人。但已處絕境的閻錫山非但拒絕人民解放軍和平解放太原的勸告，反而抓丁徵兵擴充軍隊，編組“神勇師”、“鐵血師”、“堅貞師”。並從榆林空運第83師到太原，使太原守軍仍保持6個軍的兵力，連同非正規軍共約7萬人，組成第10、第15兵團部。其部署是：以12個師防守太原外圍，以2個師防守市區，其餘兵力作爲機動，但戰鬥力甚弱。
1949年2月15日，閻錫山乘飛機逃離太原，指令“綏靖”公署副主任兼第15兵團司令官孫楚、太原防守司令兼第10兵團司令官王靖國指揮太原守軍繼續頑抗。
1949年3月31日，中共太原前委確定了“割裂包圍外圍之敵，進行連續攻擊，爭取殲其大部或全部，佔領攻城有利陣地，爾後集中全力攻城”的戰役方針和部署：第20兵團和第7軍1個師由城東北、城西北進攻北區守軍;第19兵團和晉中軍區部隊由城南和城西南進攻南區和西區守軍;第18兵團和第7軍主力由城東進攻倉庫區，並配合第19、第20兵團進攻東南區和東北區守軍;第四野戰軍炮兵第1師主力、華北軍區炮兵第3師(由炮兵第1旅改稱)由太原前線司令部直接指揮，華北軍區炮兵第4師和第四野戰軍炮兵第1師一部配屬第19、第20兵團作戰。
1949年4月20日全線開始進攻。各部隊在強大炮火支援下，採取勇猛穿插、分割包圍、各個殲滅的戰法，迅速突破守軍防線，相繼佔領城北新城、太子頭，城西南北汾河橋、大王村、小王村，城南狄村、老軍營，城東郝家溝、剪子灣等地。
至1949年4月22日，全部攻佔外圍據點，殲滅守軍12個師，並控制了雙塔寺、臥虎山制高點，直逼太原市區。爲減輕對太原市區的破壞和市民生命財產的損失，太原前線司令部於22日向守軍發出勸降通牒，孫楚、王靖國等人仍拒不投降。
1949年4月24日凌晨，攻城部隊用1300餘門火炮進行火力準備後，對城垣發起總攻。第20兵團首先由小北門東側突破城垣，第18、第19兵團也相繼攻入城內，與守軍展開巷戰。入城部隊以小型爆破手段，迅速開闢前進道路，向守軍指揮中心勇猛進攻。9時許，攻入太原“綏靖”公署，俘孫楚、王靖國和日本顧問今村、巖田等人。至10時，太原守軍被全部殲滅。
戰役結果
太原戰役，人民解放軍傷亡4.5萬人，殲滅國民黨軍1個“綏靖”公署、2個兵團部、6個軍部、20個師，共斃傷俘13.5萬餘人。太原解放後，大同國民黨守軍萬餘人見大勢已去，也於4月29日接受改編，大同和平解放。至此，山西全省解放，結束了閻錫山對山西省人民長達38年的統治。
影響
太原戰役的勝利，拔除了國民黨反動統治在華北的最後堡壘，標誌着山西全省解放，結束了閻錫山對山西省長達40年的統治;太原的解放，標誌着華北地區的徹底解放，推動了全中國解放戰爭的進程。
