日军飞机轰炸，全城燃起大火，烈焰冲天。
傅作义见此，遂组织兵力与日军展开巷战，同时命令城墙守军全力封堵被炸塌的缺口。战至下午 4 点，城墙缺口除东北角外全被堵住，但日军千余人却冲进了城内。
黄昏后，天色渐黑，日军乘机增兵，借助夜色突袭，杀入城内，同时以一部兵力空降城中大校场，四处袭击。
守军各部伤亡惨重，阵地不断失守。晚上 7 点，日军攻到了总司令部。无兵可用的傅作义只得组织司令部人员和特务连加入战斗，抵挡日军。
激战 两个小时，日军越聚越多，傅作义深感大势已去，无力挽回。于是在晚上 9 点，傅作义下令守军各部由南门突围，撤出太原。
守军各部接到命令后，迅速突出包围，经汾河桥冲至汾河西岸，向古交镇方向撤退。至此，太原城沦陷。