从月初忻口中**队退却开始，日军飞机对后方侦察，便日益频繁。11月5日，日军步兵已经迫近太原，做攻城准备。日本陆军航空兵对太原市也开始了有计划的轰炸。太原城内，在5日以前，每逢敌机空袭，空防系统即发出空袭警报。从5日下午起，警报也变成哑巴了。
11月6日上午9时，板垣师团进抵太原城东北，双方开始交火。日军随即从东、北、西三个方面包围太原城，陆续扫清了傅作义布署在城墙外围的守军。日军炮兵在飞机指示目标下，从四周高地向太原猛烈炮轰。在日军火力的集中轰击下，东北段城墙逐渐被打成缺口，崩落的碎砖土块在城下摊成斜坡，守军连夜封堵修复缺口。
1月7日拂晓，北城外的日军利用关厢建筑物，东门外北段的日军利用丘陵地带，分别接近城墙，开始了全面进攻，同时，还分兵绕过东城，向城南的火车站迂回；另一支日军则由汾河上游渡河，进出于城西的汾河西岸，企图对太原合围。其主力以步、炮、空联合作战，又向我东北城角猛烈进攻。经守军连夜修复的城墙缺口，很快又被敌炮火和轰炸所摧毁。
战况极为激烈，城坡上尸骸成堆，大片黄土已经变成殷红色。守军也伤亡惨重。日军整天猛攻东北城角，伤亡很大，未得成功，很不甘心，又在黄昏时调集精锐，加大兵力，再次发动强攻。******城墙守军，全力阻击，终于在兵员伤亡殆尽，援军一时调集不来的时候，被日军以一个大队的突入城内，占领了小教场（东北城角以内地区）的炮兵营盘。这个炮兵营盘，孤立在北城墙下面，东西南三面都是平坦开阔的操场，在白天中**队不易接近，日军也很难向外扩张，同时双方炮兵都不能发挥作用，双方就在对峙中度过了一个不眠之夜。这天晚上，傅作义亲自登上城墙巡视，以激励士气。
就在将士们同仇敌忾浴血奋战的时候，第三十五军副军长曾延毅率领一些侍从来到大南门，命令守军搬开沙袋，从一个狭小的缺口中仓惶出逃。曾延毅既是傅作义保定军校的同窗，又是坚守涿州的患难之交，北伐战争后，傅作义担任天津警备司令，任命曾延毅为公安局长，人们传说曾延毅就是在此任上迅速致富的，傅作义曾说：“军人不能有钱，有了钱就怕死。”傅作义将曾延毅提拔为副军长，就是要剥夺他的军权以免在关键时刻影响大局。
曾延毅的出逃本来不影响大局，但是由于出城打的是第三十五军副军长的旗号，他这一折腾，看见他的人都说：“副（与傅同音）军长出城走了”。这一消息很快就传遍了靠近南城的部队。戒严副司令马秉仁不甘落后，也立时乘着“李牧号”装甲汽车赶到大南门，从炮兵掩体钻出城外，落荒逃命。于是“副司令出城走了”的消息，又不胫而走地传进了守城官兵的耳朵。
由此辗转相传，以讹传讹，把“副军长”当成了“傅军长”，“副司令”当成了“傅司令”，因而军心动摇，顿时大乱。有些部队，官不管兵，兵不顾官，撂下武器，越城逃走的颇不乏人。12时以后，除北城、东城和敌人对峙胶着的部队无暇他顾外，其他城上的守军逐渐稀少，有些地段已看不到部队的踪影了。
11月8日拂晓，日军在飞机、大炮和坦克的配合下，从东、北两面猛攻城垣，大北门城楼被燃烧弹击中，三重檐的城楼火焰弥漫，如同一支冲天的火炬。密集的炮火覆盖之后，一些区段三丈高的城墙被炸得不足两丈，3个大队兵力的日军于11时再次从城东北角缺口涌入城内，他们与盘踞在小校场的日军会合后，开始在城内扩张，双方展开激烈的巷战。与此同时，一部分日军开始向河西迂回，并占领了汾河桥。傅作义得知城墙东北角阵地失陷后，悬赏五万元收复，孙兰峰所部奋勇反击，到下午4时全部收复城墙上的既失阵地，拔掉了城上的日本旗，
但是此时的局势已经陷入崩溃的边缘，在万般无奈之下，傅作义只得签署了弃城的命令，守城部队先后接到退却命令（也有少数没有接到的），由于撤退仓惶，形成混乱，又是夜间行动，前后互不相顾，不少官兵脱离了部队，因而各部大都溃散。而夜渡汾河，河水虽不宽不深，但泥淖很多，由于官兵不了解河道的情况，陷入泥淖死在汾河里的人很多。总部中校参谋许挹和（浙江人，保定军校生）就死于河中。还有些部队，由于敌情不明，乱冲到太原县、清源县、晋祠、小店镇等地的日军阵地，被打死的也为数不少。至此，太原会战结束。
板垣征四郎终于如愿以偿地进入了他的学生的统治中心，只是此时他的身份已经从一年前的外宾、教官而变成了一个征服者、侵略者。日军占领太原后，也由于后续无力而暂停南下转入休整。太原战役之后的板垣仕途可谓顺畅。1938年春，板垣征四郎又率第五师团参加徐州会战，在台儿庄战役中，所部坂本支队受到重创。
1938年5月25日，板垣奉调回国，任参谋本部部附。6月3日起出任近卫内阁陆军大臣。1939年1月5日至8月30日间，任平沼骐一郎内阁之陆军大臣，并兼任对“满”事务局总裁。在内阁会议上，板垣极力鼓吹扩大侵华战争，****中国国民政府，拼凑傀儡政权取而代之，倡导日本与德国、意大利等法西斯国家加强军事同盟，并积极策划对苏战争。1939年2月，板垣以陆军省的名义下达《限制自支返日军人言论》的命令，禁止日军士兵返国后谈论日军在华暴行。6月间，他曾与汪精卫进行过两次会晤，策划扶植成立汪伪汉奸傀儡政权。
1939年9月4日，板垣被任命为中国派遣军总参谋长，继续参与侵华战争的指挥事宜。1941年7月7日，板垣晋升陆军大将，调任日本朝鲜军司令。1943年任最高军事参议官。1945年2月1日，复兼任第17方面军司令官。同年4月7日，在第二次世界大战即将结束，日本面临败亡之际，板垣被调任第七方面军司令，设司令部于新加坡，指挥日军在荷属东印度和马来亚等地同盟军作战。8月15日，日本政府宣布无条件投降。9月间，板垣率第七方面军在新加坡向英军投降。
而在山西战场与板垣征四郎相配合的另一员日军将领—指挥关东军蒙疆兵团的东条英机更可谓步步高升。东条英机指挥的察哈尔作战，被称作“关东军的闪击战”，日本陆军部认为：“关东军的功勋，得力于东条参谋长。”东条也因此而获得日本政府的第一张“战功奖状”。1938年5月，东条英机回国出任陆军次官，负责陆军省常务工作，兼任陆军航空部部长、航空总监。11月28日，东条英机在“陆军管理事业主恳谈会上”发表演说。他扬言要准备对中国和苏联两国正面战争，而后全部占领中国。至1940年2月，东条就任临时军事参议官；7月就任陆军大臣兼对满事务局总裁。他担任陆军大臣后，即派遣日军进入印度支那南部，并参与提出建立日本领导下的“大东亚共荣圈”的口号。从此开始出将入相。
1941年近卫内阁倒台，1941年10月，东条英机任日本内阁首相兼内务大臣、陆军大臣和对满事务局总裁，授陆军大将衔。东条英机一上任便在政府声明中重申“既定国策”，即“完成支那事变，确立大东亚共荣圈”。同年11月初，以东条为首的日本政府，在御前会议上通过了对美国、英国和荷兰开战的决定。11月中旬，东条在临时议会发表战争演说，谴责英、美阻碍日本进行侵略扩张，号召国民节衣缩食，叫嚣“一亿国民齐上阵”。临时议会根据东条的要求，通过了38亿日元的临时军费追加预算案。东条英机大力宣扬个人英雄主义，并抚恤士兵家属，关心国民日常生活，形成当时日本民众心中最平易近人的“爱国英雄”型首相。东条英机为人十分霸道，为事专断，有“剃刀东条”之称。在东条英机担任内阁首相期间，日本联合舰队偷袭珍珠港，太平洋战争爆发；同日，日本海、陆根据东条英机的命令，陆续开始对泰国、马来亚、菲律宾、关岛、威克岛、吉尔伯特群岛及香港等地发动进攻。12月8日，美国、英国宣布同日本处于战争状态。
1944年4月中旬，为加强中国大陆日军与南洋日军的联系，东条英机命令在华日军执“一号作战”手令，尽快打通横贯中国的平汉、粤汉和湘桂铁路。这是东条在中国大陆发动的最后一次较大的攻势。同年7月18日，由于日本在与美国的海战中屡遭重创，在侵华战争中连遭失败，1944年7月9日美军攻克塞班岛，18日内阁会议上。东条内阁被迫辞职，东条英机辞去日本首相、陆军大臣及参谋总长职务，最终退出军政舞台。
1948年12月22日深夜，在东京鸭巢监狱内，当板垣征四郎和东条英机等人被同时送上绞刑架时，也许他们会意识到，他的厄运正是从山西开始的，这是由于这两人的贪功冒进，将日本陆军的精锐引入了山西腹地，但又没有统筹的全盘计划，以至于虽然占领了山西省会太原，将盘踞当地多年的阎锡山和晋绥军主力赶到了晋南的临汾，甚至陕西宜川县桑柏村，却令中国**人所领导的抗日武装在三晋大地迅速成长，最终令日本鲸吞整个中国的计划归于流产。<div>