11月8日8時。日軍發動總攻擊。日軍在飛機大炮和坦克配合下，從東、北兩麵猛攻城垣，大北門城樓被燃燒彈擊中，城樓火焰彌漫，如同一支衝天的火炬。密集炮火轟擊下，一段城牆被炸塌。11時許，日軍三個營再次從城東北角缺口湧入城內。他們與小校場的日軍會合後，在城內擴張。敵我展開巷戰。與此同時，一部日軍向河西迂迴，占領了汾河橋。
日軍繼續向北、東兩線全麵進攻，守軍各部經連日激戰，傷亡慘重。東北城角突破口，守軍已無法控製。日軍從這裏又突入約兩個營。守軍既無力量將城內日軍消滅，又無力量將其驅逐出城去。
12時後，日軍以坦克掩護汽車，不斷由汾河以西公路上向南運輸部隊。日軍企圖以攻城部隊牽製守軍不能撤退，一俟包圍部署完成後，對守軍來個全部殲滅。下午，日軍第5師團長板垣征四郎，命令師團預備隊投入戰鬥。日軍擴張到精營、埧陵橋、糧食局及綏署後門外的東緝虎營，對中國守城部隊形成包圍之勢。
這時總指揮部與各部隊失去正常聯係。傅作義心中焦急，坐立不安，眼裏布滿血絲，嗓子嘶啞，麵色蒼白。秘書長曾厚載及總部很多人都已悄悄逃走。傅作義身邊隻剩下參謀長陳炳謙、防守指揮官袁慶曾、副官張景濤、衛士郝德振、參謀處長蘇開元等少數人員。
下午5時許，幕僚們慫恿陳炳謙和袁慶曾，勸說傅作義趕快撤走，不然就來不及了。陳、袁二人婉轉地對傅作義說：“對敵人一定要打，對竄入的日軍一定要消滅，但需要籌劃一種有利的打法。現在局勢已惡化到對我軍極端不利，我們最好先突出敵人包圍圈，轉進到西三裏，反轉來再打擊敵人、消滅敵人，這是當前萬全之策。”
傅作義滿臉痛苦複雜的表情。他沉思良久，喃喃地說：“我反複想過了，抗戰是長期的，你倆也說退，好，今晚就撤走。”
在場者終於舒了一口氣。傅作義淚水盈眶。蘇開元趕快將早已預備好的退卻命令，讓參謀長陳炳謙簽了字，立即分頭發給各守城部隊。
11月8日21時，傅作義下令撤退。守城部隊由大南門突圍，經汾河橋衝至汾河西岸，向古交鎮方向撤退，當日夜，太原城淪陷。
11月9日晨，傅作義停留在太原西山一個小村裏，總部要員陸續趕來。第211旅旅長孫蘭峰帶旅特務連，第73師代師長王思田帶一個特務排也趕到這裏。傅即令分頭收容部隊。
11月11日，在山西古交鎮，傅作義麵對剛集結起來的一千餘名從太原突圍的官兵，用悲涼的語調說：“英雄不怕死，怕死非英雄，不怕死的跟著我傅作義，來繼續抗戰！”
此後，轉移至石樓縣休整。傅作義電請上級給予處分。閻錫山一度準備追究傅作義失守太原之責，由於衛立煌“相機撤退”手令及蔣介石反對，而最終作罷。
日軍繼續向北、東兩線全麵進攻，守軍各部經連日激戰，傷亡慘重。東北城角突破口，守軍已無法控製。日軍從這裏又突入約兩個營。守軍既無力量將城內日軍消滅，又無力量將其驅逐出城去。
12時後，日軍以坦克掩護汽車，不斷由汾河以西公路上向南運輸部隊。日軍企圖以攻城部隊牽製守軍不能撤退，一俟包圍部署完成後，對守軍來個全部殲滅。下午，日軍第5師團長板垣征四郎，命令師團預備隊投入戰鬥。日軍擴張到精營、埧陵橋、糧食局及綏署後門外的東緝虎營，對中國守城部隊形成包圍之勢。
這時總指揮部與各部隊失去正常聯係。傅作義心中焦急，坐立不安，眼裏布滿血絲，嗓子嘶啞，麵色蒼白。秘書長曾厚載及總部很多人都已悄悄逃走。傅作義身邊隻剩下參謀長陳炳謙、防守指揮官袁慶曾、副官張景濤、衛士郝德振、參謀處長蘇開元等少數人員。
下午5時許，幕僚們慫恿陳炳謙和袁慶曾，勸說傅作義趕快撤走，不然就來不及了。陳、袁二人婉轉地對傅作義說：“對敵人一定要打，對竄入的日軍一定要消滅，但需要籌劃一種有利的打法。現在局勢已惡化到對我軍極端不利，我們最好先突出敵人包圍圈，轉進到西三裏，反轉來再打擊敵人、消滅敵人，這是當前萬全之策。”
傅作義滿臉痛苦複雜的表情。他沉思良久，喃喃地說：“我反複想過了，抗戰是長期的，你倆也說退，好，今晚就撤走。”
在場者終於舒了一口氣。傅作義淚水盈眶。蘇開元趕快將早已預備好的退卻命令，讓參謀長陳炳謙簽了字，立即分頭發給各守城部隊。
11月8日21時，傅作義下令撤退。守城部隊由大南門突圍，經汾河橋衝至汾河西岸，向古交鎮方向撤退，當日夜，太原城淪陷。
11月9日晨，傅作義停留在太原西山一個小村裏，總部要員陸續趕來。第211旅旅長孫蘭峰帶旅特務連，第73師代師長王思田帶一個特務排也趕到這裏。傅即令分頭收容部隊。
11月11日，在山西古交鎮，傅作義麵對剛集結起來的一千餘名從太原突圍的官兵，用悲涼的語調說：“英雄不怕死，怕死非英雄，不怕死的跟著我傅作義，來繼續抗戰！”
此後，轉移至石樓縣休整。傅作義電請上級給予處分。閻錫山一度準備追究傅作義失守太原之責，由於衛立煌“相機撤退”手令及蔣介石反對，而最終作罷。