忻口战役和娘子关战役结束后，太原的北大门和东大门失守，太原彻底暴露在日军兵锋之下。
作为山西的土皇帝，阎锡山心里非常不愿意放弃太原逃跑，他还想凭借着手中剩余的兵力坚守太原。但是忻口和娘子关战役的失败，整个第二战区笼罩在失败的阴影之中，全军上下士气低迷，恐日情绪日益渐增。明眼人都看得出来，太原城沦陷已经是板上钉钉，但是却没有人敢在阎锡山面前说出这句话。
忻口撤退的同一天，阎锡山在太原召开军事会议，商讨守卫太原的问题。会议上，中央军、西北军、川军将领都认为太原已是死地，坚守太原只会白白损耗兵力，不利于后续持久抗战，不愿意承担守城任务。阎锡山见他们如此行径，气得七窍生烟。他虽然是第二战区司令长官，却拿这些将领没有任何办法，如今晋绥军各部伤亡惨重，山西还要靠这些人来守。
此时晋绥军各将领虽然也认为太原沦陷不可避免，但作为山西本土人，丢土而逃他们内心也不愿意。到谁都清楚，留下来守太原那基本上是九死一生，因此参会的晋绥军将领也全都保持沉默，不发一言。
此时阎锡山看着参会众将领全都低头沉默不语，气得七窍生烟，愤恨地发问：“值此太原危急时刻，难道就没有一个人愿意出来力挽狂澜吗？诸位难道就忍心眼睁睁看着太原沦入日寇之手，太原百姓被日寇铁蹄践踏吗？”然而阎锡山的话并没有激起在场将领的热血，场面一下冷了下来。
看着阎锡山一脸焦急却又无奈的样子，第 7 集团军司令傅作义再也不愿沉默下去，当即起身怒拍桌子，大义凛然地说道：“既然在场诸位都不愿意留下，身为山西人，我是无法拱手把太原让给日本人，阎长官，我愿意留下承担守卫太原的任务。”
在场将领看到傅作义起身接下了守卫太原的任务，全都内心松了一口气，纷纷表示支持傅作义担任太原守备司令。
阎锡山看着众人，内心极度厌恶，同时对于傅作义的挺身而出却是深感欣慰。于是阎锡山当场任命傅作义为太原守备司令，统一指挥晋绥军各部保卫太原。在会议上，阎锡山指示傅作义利用太原周边既设阵地。实行依城野战，节节抵抗，阻击日军，消耗其兵力，待后续增援兵团到达后，再实行反攻，内外夹击以聚歼日军。随后阎锡山委任卫立煌为第二战区前敌总司令，指挥第二战区除第 18 集团军、第 6 集团军以外所有部队，并将第二战区长官部指挥所移驻到交城。
11 月 4 日，阎锡山率领第二战区长官部撤离太原，临走时阎锡山看着身后的太原城，万般不舍。他紧握前来送别的傅作义双手，叮嘱道：“一定要守住太原，不敢丢太原呐。”
11 月 5 日夜，八路军驻晋办事处最后一批人撤离太原。
就在阎锡山撤离太原的同一天，忻口日军逼近石岭关。鉴于此地原预设阵地已难以立足，卫立煌遂下令部队转移至太原北郊构筑防线。与此同时，由晋东撤下来的部队，除了 27 路军及 17 师、27 师撤向太原附近外，其余部队均遭到日军截击，被迫向榆次西南撤退。
以 35 军为主的守城部队在 4 日、5 日两天全部进入太原城内。随后傅作义下令封闭全城，构筑加强城防工事。根据傅作义的部署，35 军 211、218 两个旅和正太路护军一个团守备东、北两面城墙；独立第 1 旅守备西城；213 旅守备南城。傅作义将城内大部分炮兵分配给守城各旅，将未分配任务的部队全部编为预备队，策应各方。
11 月 6 日，由忻口南下和沿正太路西进的日军相继击破太原外围阵地，抵达太原城郊。卫立煌抽调独立第 8 旅、独立第 7 旅、71 师增援太原城，但遭到日军阻击，除独立第 8 旅一个营渡过汾河进入太原外，其余各部均被迫南撤。战至此时，太原周边部队已全部被日军击退，太原城成为了一座孤城。
日军从东、北、西三面围城，以飞机、大炮猛攻太原城
