傅作义将太原城内尚有的15000余兵力中的80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。

根据傅作义的部署，城内阵地被划为四个部分：北城，第第第10师马延守部6个连；南城，由预备第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，由第第1团的张惠源营防守；东南城外郝庄、双塔寺阵地，由第第1团韩春富营防守；南城、西城外，由收拢的川军第第第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。总部院内有第第第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说：“我们奉阎长官的命令守太原城。。。。。。今天就要封城，我们守城，就比方人已经死了，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；以进抵城东的第第77联队，击退少数中国守军后由东面攻城；第第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，日华北方面军第第14师团及指挥的北线部队为攻城的主攻部队；第第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。

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。我城墙缺口守军，全力阻击，终于在兵员伤亡殆尽，援军一时调集不来的时候，被日军约2个中队近300人突入城内，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，在白天我军不易接近，日军也很难向外扩张，同时双方炮兵都不能发挥作用，因而双方形成了对峙局面。日军因后续部队一时不能进城，为了保持这股部队在城内扎下根，曾用飞机空投接济。

在小东门亲自指挥第101师孙兰峰决议拔出这个楔入的毒钉，于是亲自挑选4个连组成奋勇队，对日军实施反击，经过一场极端惨烈的血战，在奋勇队几乎伤亡殆尽的情况下，终全歼该股日军，收复了该处阵地。。。。。。

太原城内自从戒严司令部成立的那天起，就发现城内潜伏着不少的汉奸敌特，小北门里的天主教堂，就是掩护他们的一个渊薮。在城内大街小巷经常听到枪声，戒严司令部的巡查兵中就有在执勤期间被敌特黑枪打死的。为此戒严司令部也常扣捕一些行迹可疑的人，但始终也审问不出一点重要的头绪来。

造成这种状况的主要原因是太原的宪兵早已随着第二战区长官部撤走，太原警察机构已经瘫痪，失掉作用，新组织的戒严司令部及其所指挥的警宪部队，完全来自北面的大同，不了解当地情况，只有黑天暗地瞎摸索，偌大一个太原市，一时之间哪能想出有效办法。

5月15日以后，敌机滥炸市区，房倒屋塌，交通阻塞，电杆倾斜折断，电灯早已失明，电话线路时常发生障碍，虽随时修理，也修不胜修，显出一片混乱。

到了17日，街头巷尾到处是散兵游勇。不少食品商店（大半已逃亡无人）都被打开了门窗，满街都是酒瓶子，罐头筒子。日军突入城内的消息一经传播后，未与敌军接火的部队也军心惶惶，大有不可终日之势。为此傅作义一面亲巡各城，鼓励士气，以迎击日军的再次进攻，一面急电阎锡山和兰州，报告战况。

守城兵力本来就严重不足，经两日战斗伤亡减员，有战斗力者仅剩2000余人，太原沦陷就在眼前了。

18日凌晨，傅作义召集戒严司令曾延毅到防空洞谈话。曾由傅的防空洞出来，没有再回戒严司令部（在总部东院），就直向总部大门走去，同时派卫士去叫戒严司令部参谋长郄莘田快来，等到郄由司令部出来，曾已走出总部大门以外，郄紧紧赶上，曾见了郄，也始终一句话没说，便直奔他的马号。这时马已备好，曾立即上马，向大南门驰去。戒严司令部的参谋副官及勤杂人等，也都闻风赶来。跑到大南门跟前，发现早经封闭的城门，上囊砂袋，层层堆积，原封未动。曾命令跟来的卫士随从们，搬移沙袋。守城官兵因知道他是第5集团军副司令又是戒严司令，当然不敢拦阻。没想到封城时只怕封不牢固，到现在才发现土囊砂垒积科太多，移动不便了。结果卫士们费了老大力气，城门仅仅打开了一个小缝。好在两扇城门稍稍向后移动了一些，门头上甩出一个较大的三角空隙。曾延毅心急智出，舍掉了坐骑，爬上沙袋，让力气大的几个卫士把他举上门顶，钻出城去。

出城以后，狼狈地向南赶路，恰巧遇上一名收重伤的连长张霁浦，骑着一匹瘦弱的劣马。曾延毅向张连长把马买了过来，骑上这匹劣马往正南方向而去。他的参谋长郄莘田在曾后面跟来，看到城门上不容易出去，便拨转马头，找到旱西门旁早已挖好的交通路，马也没下就走出城去。时间不久，他就和曾会见，接着就一同过了汾河，绕过太原县、清源县，经由交城、汾阳，跑到隰县去了。

曾延毅出城打的是第5集团军副司令的旗号，他这一折腾，看见他的人都说：“副（与傅同音）司令出城走了”。这一消息很快就传遍了靠近南城的部队。戒严副司令马秉仁也随即出逃命。于是以讹传讹，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。9时以后，除过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。

18日晨，日军按原计划向太原城发动总攻。其步炮主力全集城下，敌机13架轮番轰炸，北城楼被焚，东、北两城到处起火，火焰弥漫全城。9时，城东北角及西北角，均被敌密集炮火轰陷，不久东、北两面城墙亦相继被轰开缺口10余处，城墙各掩蔽部及弹药洞多被轰塌。敌步兵在其飞机、大炮掩护下，向城内猛冲，在城墙埋伏的炮垒队亦被敌击散。守军奋勇截击，一面拼力阻击突入城之敌，一面封锁城墙各口，敌我伤亡惨重。

激战至午，防守东北城角的一个营伤亡过半。敌人从该阵地前面的城墙缺口蜂拥入城。董其武即率预备队驰援，在小东门、小北门之间的大教场、坝陵桥一带，与敌展开激烈的巷战，双方形成对峙状态。其他守军官兵也拼命抵抗，战至16时，始将城墙各口封锁，并经激烈巷战将入城之敌300余歼灭大半。

黄昏时，日军一部空降于城中大教场，扩张战果，19时攻至总司令部。随即敌又从城东北角突破口向城内增加大量步兵，并利用夜间隐蔽，夹杂混战，处处突袭，我官兵伤亡甚多，而且西、南两城部队及预备队多已逃亡，除总司令部军官佐及特务连勉力抵抗外，已别无兵力可资应援。至21时，日军愈进愈多。傅作义见局势已无法挽回，乃下令撤退。各部纷纷从大南门、新南门撤出城外。华北重镇——太原，继平津、保大、大同、济南、徐州之后于5月18日夜宣告失陷了。

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