太原是山西的省會，位於太原盆地的北端，同蒲鐵路和正太鐵路交會於此，是全省政治、軍事、經濟、文化的中心，也是華北重要的工業基地之一，自古即是軍事要地，因此成爲日軍侵略華北的重要目標。
抗戰爆發後，日軍將山西列爲華北作戰的重點，欲沿平綏、平漢、正太鐵路會攻晉省，爲此，閻錫山積極組織起太原會戰，以圖力保省會太原。基於“守土抗戰”的需要，接受了共產黨“聯合抗日”的建議，並認爲“國事危機，非集合全國財力人力不足以渡此難關”， 最終在晉省境內率先建立起抗日民族統一戰線，據此，八路軍三個作戰師得以相繼開赴山西抗戰前線。與此同時，閻屢請中央速派得力中國軍隊援晉抗日，蔣介石“爲挽回危機，着眼於山西要地之確保，決定專用於平漢線兵力，1937年10月2日命衛立煌統帥4個半師，連夜由石家莊向太原以北地區集中” 。除此之外，又陸續有高桂滋第17軍、劉茂恩第15軍等部隊支援山西抗戰。
日本中央統帥部於1937年10月1日決定攻取太原，當日即“命華北方面軍司令官以一部兵力，由太原北部進攻太原”。 [8] 對此，閻錫山積極組織起忻口戰役。日軍攻佔崞縣、原平後，即以板垣指揮的第5師團及關東軍第1、第12師團等部，以中央突破的方法攻擊忻口陣地之南懷化高地，戰鬥異常激烈。10月13日至18日，日軍雖反覆爭奪，中國軍隊據險死守，且陣線穩固。此外，八路軍也在後方積極活動，“八路軍自晉北作戰以來，施展其遊擊之擅長……敵軍捉摸不定，至於奔命，屢受重創” ，此時戰鬥態勢一度對中國軍隊有利 。
日本華北方面軍司令官1937年10月17日又令“第1軍之一部(第20師團)於石家莊會戰後，由正太線方面進入太原平地，21日又將109師團之一部增強該部”， 以配合由晉北南下的日軍會攻太原，山西抗戰形勢遂發生劇烈變化。爲此，由第二戰區副司令長官黃紹竑率孫連仲、曾萬鍾等所屬部隊組織起娘子關戰役，欲阻敵西進。配備在娘子關一線的中國軍隊多爲地方軍，武器裝備落後，且編制不全，戰鬥力較弱，中國軍隊雖經努力抵抗，娘子關還是於10月26日易手，至此，太原東面門戶洞開。中國軍隊在娘子關戰役的失利，使忻口戰線的側背受到威脅，有被包抄的危險，忻口中國軍隊不得不向太原集結。
根據閻錫山的指示，衛立煌於1937年11月2日下令，對部隊的編成、任務區分作了明確的規定。其要旨如下：
以第15、第17軍(欠第21師)等部爲右兵團，第15軍軍長劉茂恩爲兵團長，以主力確保萊水墕、川套裏、窯子上之線陣地;
以第19、第61軍，第35軍一部及第21、第47(已到達太原)、第54、第72、第73師等部爲中央兵團，第19軍軍長王靖國爲兵團長，其主力配置於西黃水、育龍鎮至周家山之線陣地;
以第14軍及第68、第71、第94師等部爲左兵團，第14軍軍長李默庵爲兵團長，其主力配置於觀象坡至西青善及東墕村至天門關之線陣地;
以炮兵第5、第23、第28團爲炮兵集團，炮兵司令劉振蘅爲指揮官，其主力佔領鳳樓閣、陽曲鎮及欄崗村等陣地;
以第85師及獨立第5旅、529旅爲總預備隊，分別配置於太原、新城村、新店村附近;飛行隊由陳棲霞爲指揮官，負責轟炸由忻口南進之敵。
各兵團接受命令後，當即於11月2日21時開始向指定位置轉移。
在忻口撤守的同一天，閻錫山在太原召開軍事會議，確定保衛太原的方針是：“利用太原四周既設陣地線，實行依城野戰，以阻敵前進，消滅其兵力，待我後續兵團到達，再施行反攻夾擊而聚殲之。 ”同時，委衛立煌爲第2戰區前敵總司令，除第18集團軍及第6集團軍外，均歸其指揮，委傅作義兼太原守備司令。並將第2戰區長官部指揮所移駐交城，第二戰區制定了保衛太原城的作戰計劃。
1937年11月4日，閻錫山等紛紛撤離太原。周恩來於11月5日夜和八路軍駐晉辦事處最後一批人員撤離太原。
晉北日軍在獲悉忻口守軍撤退後，遂跟蹤追擊。4日，逼近石嶺關。鑑於原預設陣地已難以立足，衛立煌遂決定將陣地轉移於太原北郊。與此同時，由晉東方面西撤之部隊，除第27路軍及第17、第27師撤向太原附近外，其餘部隊均遭日軍截擊，被迫向榆次西南撤退。
以第35軍爲主的太原守城部隊先後於11月4日、5日進入城內。傅作義下令封閉城門、構築與加強城防工事，並部署了守城兵力：以第35軍第211、218旅和正太護路軍1個團守備東、北兩面城牆;以獨立第1旅守備西城;以第213旅守備南城;將炮兵大部分配給守城各旅，將未分配守城任務的部隊編爲預備隊;並以第35軍副軍長曾延毅爲太原城戒嚴司令，負責維持城內秩序。
進攻太原的日軍，從東、北兩個方向緊追撤退的中國軍隊。東線日軍先頭部隊於11月4日已進至太原城東南約17公里的鳴謙鎮，並佔領了榆次，一部向介休方向追擊。北線日軍也於4日越過石嶺關向南追擊。
1937年11月5日，東、北兩線追擊的日軍已逼近太原城郊，日本空軍也開始對太原市進行有計劃有針對性的轟炸。在北郊派出的守軍警戒部隊迅速退入城內。日軍第5師團所部當即佔領了城東北的厚堂村、黃國樑墳和兵工廠。從城南郊攻擊的日軍第20師團所部在鳴李村附近與正在奉令北上的中國第22集團軍第41軍後續部隊遭遇，發生戰鬥。爾後日軍攻佔了小店鎮，與位於吳家堡一帶的守軍第14集團軍所部隔汾河對戰。日軍第20師團並以一部兵力由榆次經同蒲路南進追擊撤退的中國軍隊。此時，由忻口前線撤退下來的劃歸守城部隊的第71師和獨立第7、第8旅到達彭村、西充地區，並準備入城。因日軍攻擊甚烈，通路被阻，僅獨立第8旅的1個營渡過汾河進入城內，其餘均沿汾河西岸南撤。
1937年11月6日，由忻口南下和沿正太路西進的日軍相繼逼近太原城郊。衛立煌除抽調第68師(即獨立第8旅)、第71師及獨立第7旅等部增援第7集團軍守備太原城外，將主力轉移至太谷 、交城之線，以阻止日軍沿同蒲路繼續南侵。在外圍防守部隊相繼南撤後，守衛太原城垣的部隊，僅有第35軍的9個營及獨立第1旅、第213旅等部10個營，共約19個營的兵力。奉命增援守城的部隊，除獨立第8旅之1個營於6日21時渡過汾河，進入城內外，其餘部隊均因受阻而循汾河西岸南撤，“依城野戰”變成了“孤城獨戰” 。日軍隨即從東、北、西三個方面包圍太原城，陸續掃清了傅作義佈署在城牆外圍的守軍。日軍炮兵在敵機指示目標下，從四周高地向太原猛烈炮轟。在日軍火力的集中轟擊下，東北段城牆逐漸被打成缺口，崩落的碎磚土塊在城下攤成斜坡，守軍連夜封堵修復缺口。日軍飛機還在這一天撒下傳單，揚言將在次日早晨開始進攻，要求守軍投降，第三方人員迅速出城等。
1937年11月7日晨，由晉東西進的日軍第109師團第31旅團的先頭部隊進至太原城南約15公里的小店鎮，一部進抵雙塔寺，與城東的第20師團會合。此刻城西汾河各橋均被敵佔領，太原城遂完全陷於被包圍狀態。同時，東、北兩面敵以步、炮聯合向城垣猛撲，日機不斷向城內轟炸。守軍城外部隊受日軍壓迫，戰鬥至黃昏後撤入城內據守。城垣炮壘隊的炮位多被日軍炮火制壓或轟毀。20時，日軍炮擊更烈，市民四逃，警察、守倉庫士兵以及通信機關人員多放棄職守，逃散一空，第35軍副軍長曾延毅命令守軍搬開沙袋，從大南門一個缺口中倉惶出逃，戒嚴副司令馬秉仁從炮兵射口逃出城外。電話隨修隨斷，消息梗阻。形勢至爲險惡。傅作義巡視各地，一面鼓勵士氣，一面策劃方略，守軍傷亡很大，此時所剩兵力僅第35軍7個營、新編第3團4個連，戰鬥官兵共計2000餘人。
1937年11月8日晨，擔任攻城的日軍第5師團將步、炮全集太原城下，在東、北兩面猛烈攻擊。日機13架輪流轟炸，北城樓被焚，城內東部和北部到處起火，電話逐段被毀，火焰瀰漫全城。至9時，城垣東北角及西北角被炮火轟毀，東、北兩面城牆亦被轟開缺口十餘處，城牆各掩蔽部及彈藥洞多被轟塌。日軍步兵在其飛機、大炮掩護下向城內猛衝。在城牆下埋伏的炮壘隊亦被擊散。預定殲敵計劃概失效用。但守軍東、北兩城步兵一面與入城日軍拼殺，一面封鎖城牆各口。雙方傷亡殊重。至16時，城牆各口均被守軍封鎖，僅東北城角一處，千餘日軍入城，與守軍激烈巷戰。黃昏後，日軍又向城內增加大量步兵，利用夜色隱蔽，夾雜混戰，處處突襲。守軍官兵傷亡甚多，西、南兩處部隊及預備隊被日軍擊散。黃昏後，日軍一部空降於城中大校場，並四出襲擊。19時，日軍攻至總司令部。此時因守軍兵力不敷分配，除總司令部官佐及特務連勉力抵抗外，別無部隊可資應援。傅作義感到局勢無法挽回，乃於21時下令撤退。守城各部隊由大南門突圍，經汾河橋衝至汾河西岸，向古交鎮方面撤退。太原城淪陷。
