1937年11月2日，历时21天忻口会战结束，阎锡山、卫立煌指挥中国第二战区队在武器装备劣势的情况下同日军浴血奋战，打得英勇顽强，付出了伤亡10万余人的重大代价，最终不得不饮恨撤退。不过，会战歼灭日军至少在万人以上，重创了骄横的“钢军”板垣第5师团，同时也创造了华北战场歼灭日军的最新纪录。
日本军部本来期望板垣师团能势如破竹，迅速底定山西，因而才将华北方面军主力调去增援淞沪战场。不料板垣师团遭到中国军队的顽强抵抗，损失不小。虽然总算在友邻支援下得以爬过了忻口，但实力受到很大削弱，即使能攻占太原，却再无力扩展全部占领山西东、西、南部的广大山区。由此国民党军一部仍坚持战斗在山西地区，而八路军则深入空虚的敌后放手发展，很快便成燎原之势。结果山西牵制了日军大量兵力，严重打乱了日本军部速战速决的全局战略规划，迫使其放弃了西渡黄河沿忽必烈灭南宋路线灭亡中国的狂妄设想，也铸成了日本侵略军的最终失败。
忻口失守，阎锡山的老窝太原即遭到严重威胁。当时太原是中国的模范省会，阎锡山建设乡里有模有样，这个功绩值得一书。太原还有全国有名的兵工厂，加上多年贮存的弹药粮草，足够十几万大军半年之用，都是阎锡山盘踞一方的老本。如今日本人来摘桃子，一旦太原丢了，山西也就丢了，半生心血付诸东流，又可能沦为冯玉祥式的流浪寓公，阎锡山能不急吗！
危急时刻，傅作义挺身而出，接下了防卫太原的重担。他是著名的“守城将军”，当年曾坚守涿州三个月，挫败了兵力优势的奉军进攻。阎锡山也知道手里那点力量，危城难守，但又不得不做做样子。甚至，可能老西还做起了点历史重演的梦。为了表示守卫太原的决心，阎锡山决定采取“依城野战”的方针，以傅作义绥军嫡系第35军防守太原城，其余从忻口撤退的部队占领太原北郊阵地，从娘子关退下的部队防守太原东郊，此时奉蒋介石命令从冀南驰援晋东的汤恩伯第13军也推进至榆次待机出动。如此，要与日军在太原再来一场会战。然而，外战并不是内战，太原也不是涿州，地势均非当年，注定阎锡山的幻想要落空了。
日军从娘子关方向突破后，华北方面军司令官寺内寿一抓住战机，又将第108、第109师团投入正太路作战，凭借优势火力节节推进。第二战区派来增援的川军第22集团军和八路军第115师、第129师，以及紧急入晋参战的汤恩伯第13军等部虽先后加入战斗堵击日军，但战力有限，且为时已晚。东路日军进展非常迅速，中国守军节节败退。阎锡山刚作完保卫太原部署仅一天，日军就已推进到了榆次外围。这样一搞，主力部队还未从忻口撤下来，太原就快遭到攻击了，想依城野战都已来不及了。
夺取娘子关的日军第20师团非常骄横，师团长川岸文三郎又向第1军司令官香月清司请缨主攻太原的任务。然而香月清司拒绝了他的请求，并命令东路日军停止前进，不要轻举妄动。川岸文三郎感觉摸不着头脑，不禁大为光火，但无济于事。香月清司为何要如此决定呢？实际上这里边有点小猫腻。板垣第5师团在忻口丢了大脸，“钢军”一时有名誉扫地的危险。香月清司与板垣征四郎的交情比较不错，为了帮老朋友挽回面子，于是决定让板垣师团先入太原为王，因此才驳了川岸的面子。结果忻口和娘子关方向的中国军队撤下来后，发现太原周围竟然已密布日军，哪里还有战意，一溜烟地从城边穿过，扯乎去也。这样阎锡山的“依城野战”设想完全落空，太原已成为了一座孤城。
11月3日，华北方面军司令部命令板垣师团攻取太原。已经打得筋疲力尽的板垣师团终于能够越过忻口南下，向太原推进了。两天后，板垣师团进至太原城北，东路日军也占领了榆次并向太原南侧推进。这时阎锡山将太原扔给了傅作义，率长官行营向南逃去。前线总指挥卫立煌在率部南撤前，曾劝过傅作义，太原已不是能守之城，不如一同南下。然而傅大将军非是朝三暮四之人，已在阎长官面前承诺防守太原，自然要尽力践诺，卫立煌便也只好让他善自珍重了。傅作义将手下能指挥动的董其武、孙兰峰、杨维垣3个旅分别摆在了太原城的北、东、南方向，拉开了保卫战的架势。
11月6日，日军开始围攻太原。傅军与敌浴血死战，将日军当天的进攻全部击退。战斗中傅军官兵手持的大号手榴弹比较特殊，是太原兵工厂的特产，由生铁铸造，内装100克炸药，一枚能炸裂成将近300块破片，威力很大，给予了攻城日军以较大杀伤。然而日军是近代工业化支撑的武装力量，其建设程度远非还是农业基础的中国军队所及，双方强弱之势殊难改变。
激战至11月7日，日军以炮火炸塌了太原东北角城墙，一举突入城内。董其武、孙兰峰指挥部队拼死向敌反击，遭到日军优势火力打击，伤亡严重。傅作义打没了预备队，把自己的警卫营都填了上去，总算将日军赶出城外。此时，守城部队已打到只剩2000余人。11月8日，板垣看出门道了。中国守军抵抗最强烈的是城北和城东的部队，城南部队就大大不如。然而城南方向的川岸文三郎师团攻击并不猛烈，甚至打打停停，显然是在等自己这边首先突破。经过忻口的教训，板垣再也丢不起人了。他当即命令一部兵力绕向城南，协同川岸文三郎的部队一同攻城。这样一打，战斗力较弱的杨维垣旅就吃不住了，城南也被突破。战至8日夜，日军已全面攻进了城内。傅作义只能率领残剩部队拼命突出包围，趁夜色掩护向西山转移。
当时傅大将军狼狈到身边只剩下了一个卫士跟随。在淌水过河时，傅作义的鞋陷在了河里。旁边的卫士拿出了一双布鞋给他，然而傅作义脚大，穿不进去。最后是用刀将鞋口割开用力套上去，才免除了军长光着脚跑路的窘境。
经历了太原之难的傅大将军卧薪尝胆，继续坚持在塞北高原誓死抗战。两年多之后，已是第八战区副司令长官的傅作义指挥部队取得了五原大捷，歼灭日伪军4000余人，光复五原，狠狠回击了日本侵略者一记重拳。
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