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傅作义将太原城内尚有的15000余兵力中的8000战斗兵分别部署在三道防线上，第一道在城外，第二道以城墙为屏障，第三道左翼在三桥街一带，试图以此迟滞日军的进攻，为晋军的光荣做出最后的贡献。阅读VIP仙.界\
根据傅作义的部署，城内阵地被划为四个部分：北城，第138师董其武部3个营；东城，第101师孙兰峰部3个营及预备第10师马延守部6个连；南城，由预备14师副师长杨维垣率所部第2团团部及2个营又1个连守备；西城，因背临汾河，仅以山西新军决死队第四纵队3个中队把守；炮兵则分布在全城的各个炮兵阵地，分别就近提供炮火支援。
城厢前进阵地：北关兵工厂旧址由预备第9师第2团团长李思温带2个营防守；东北城外黄国梁坟地，由第138师第1团的张惠源营防守；东南城外郝庄、双塔寺阵地，由第101师第1团韩春富营防守；南城、西城外，由收拢的川军第165师第7团张伯言部和第168师第1团杨呈部，分别在太原火车站和汾河东岸派出警戒部队；第35军的骑兵连，则在汾河西岸，担任游动巡逻。
此外傅作义还另以第5集团军副司令官曾延毅为为太原戒严司令，马秉仁为戒严副司令，指挥山西宪兵第7、8两队，担任城内的岗哨、巡查，负责维持城内秩序。后又委派袁庆曾为关厢防守指挥官，指挥部由大同撤退来的大同警察局长张公量、督察长韩伯琴、省民政厅科长高赓虞等组成，负责指挥督战任务。傅的总部设在原战区司令长官部内。总部院内有第35军特务连、宪兵第10队、保安警察第3队，负责总部的警戒。
至于剩下的部队则统编为总预备队，由傅作义亲自掌握，以便随时支援第一线作战。
等一切部署就绪，5月15日夜，傅作义集合部队营以上军官作战前动员：“我们奉阎长官的命令守太原城……今天就要封城，我们守城，就方人已经死了，躺在棺材里，光差盖盖啦……”
傅作义此话是表示与城共存亡的决心，但却起了反作用。当天晚上，不只士兵和下级军官有越城潜逃的，就连总部里傅的亲随中校副官尹绍伊，第35军上校处长李荣骅等，也都乘晚间夜色的空子，相偕出走……
日军迫近城郊后，从东、北、西三面包围了太原，完成了攻城部署：以主力第14师团所属第27旅团占领太原城东北享堂村黄国梁坟园及城正北兵工厂，作为攻城准备阵地；以进抵城东的第20师团所属步兵第77联队，击退少数中国守军后由东面攻城；第108师团所属步兵第132联队与第20师团的直野支队联合进攻城南。
16日拂晓，日军步兵开始向太原北关兵工厂和东北城外黄国梁坟园的城厢前进阵地进攻。敌炮兵则在飞机的指示下，以数十门榴弹炮、野炮，集中火力，向城东北角的城墙猛烈轰击，城墙上部，在硝烟弥漫、地动山摇的震撼中，逐渐被打开缺口（当晚修复）。守城炮兵也开炮还击，双方展开激烈的炮战。
兵工厂阵地的守兵在李思温团长的指挥下，面对优势敌军的进攻，顽强抵抗，击退敌多次冲击，黄昏后奉命撤入城内。守黄国梁坟阵地的张惠源部，受敌压迫，被迫退回城墙主阵地。日军跟踪而至，向城垣猛攻，受到守军的阻击，先后退出战场，进行整顿。不过，饶是这样，太原北城和东北城角，已经算得上**裸地摆在敌人面前了。
当晚，日华北方面军第1军下达作战命令，令第14师团及指挥的北线部队为攻城的主攻部队；第20师团一部协同第108师团作战。命令还决定，18日对太原城发动总攻。
17日拂晓，北城外日军利用城厢建筑物作掩护，东门外日军利用丘陵复杂地形作掩蔽，同时向城墙秘密接近，准备实施强攻。同时，日军一部绕过东城，向火车站迂回；另一部则由汾河上游渡河，进出于城西的汾河西岸，对太原形成合围之势。
日军主力步、炮、空协同作战，猛烈的炮火将守军连夜修复的城墙缺口重新摧毁。日军趁机猛攻城墙，守军不甘示弱，冒着炙热的炮火予以还击，战况极为激烈，城坡上敌尸成堆，大片黄土已经变成殷红色。我守军也伤亡惨重。