晋中战役后，阎锡山的所辖部队一部大部被歼灭，余部5个师和1个暂编总队收缩于太原及其外围地区，企图依托险要地形和坚固设防进行固守。为夺取太原，歼灭阎锡山集团，华北军区第一副司令员兼第1兵团司令员和政治委员徐向前奉中共中央军委命令，统一指挥第1兵团（辖第8、第13、第15纵队）、华北军区炮兵第1旅、西北野战军第7纵队、晋中军区3个独立旅及陕甘宁晋绥联防军区警备第2旅等部共18个旅11.5万余人，乘晋中战役胜利之势进逼太原，集结于榆次、太谷、清原（今清徐）等地，于10月发起太原战役。

1948年10月5日拂晓，西北野战军第7纵队主力由清原东渡汾河，直插小店镇以北；第15纵队由太谷、榆次向西出击，直插武宿机场以北，与第7纵队成东西夹击之势，切断已进至小店镇和武宿机场国民党军通向太原的退路，并准备阻击太原守军南援；第8、第13纵队迅速包围已进占小店镇、南黑窑等地的国民党军。战至6日晨，歼灭暂编第44、第45师全部和第72师、暂编第49师各一部。随后各纵队继续扩张战果，攻占武宿机场及多处据点，并抵近东山堡垒地域南侧。第7纵队一部为策应小店地区作战，在城北凤阁梁一带歼第68师1个多团和暂编第39师1个营，并用炮火控制城北新城机场。各部队经11天激战，歼国民党军2个师、3个团又7个营，共毙伤俘1.2万余人，迫近并部分突破太原南北守军第一道防线。10月16日，第7、第13、第15纵队和第8纵队一部在晋中军区部队配合下，分由南北两面迅猛地向东山要塞守军发起攻击。至19日，相继攻占黑驼、石人梁、大窑头、大小北尖、榆林坪、孟家井和牛驼寨等筑垒阵地，歼守军一部，迫使罕山守军1个团投降，占领东山主峰罕山及大部阵地。阎锡山集中第30军和留用的日本军人为骨干组成的暂编第10总队，在炮火支援下向牛驼寨实施多次猛烈反扑，在不到300平方米的阵地上，每天倾泻炮弹万发以上。第7纵队等部顽强抗击，激战3日，予敌以重大杀伤后撤出牛驼寨。26日，第1兵团司令部为摧毁守军东山防御阵地，夺取攻城依托，再次调整部署，分别以第7、第8、第15、第13纵队夺取牛驼寨、小窑头、淖马、山头等东山四大要点。守军在空军配合下，凭借险要地势固守顽抗，并施放毒气弹、燃烧弹。第1兵团等部勇猛突击，多次打退守军反扑，经19昼夜反复激烈争夺，至11月13日全部攻占东山四大要点，共歼灭守军2.2万余人，并争取了守军第8总队起义。与此同时，晋中军区部队攻占城北青龙镇、城南许坛以及汾河西岸的南北堰等据点，紧缩了对太原城的包围。

11月上旬辽沈战役结束后，国民党军华北“剿匪”总司令傅作义集团已十分惶恐。中共中央军委考虑到太原攻克过早，有可能使傅作义集团感到孤立而由平津地区南逃或西撤。为此，11月16日发出缓攻太原的电令。华北军区第1兵团遵照中共中央军委有关战略决战的统一部署，从12月1日开始，以部分兵力坚守前沿阵地，监视守军，主力转入休整。同时，围城各部队通过战场喊话、散发传单、动员守军官兵亲属规劝等方式，广泛开展政治攻势，促使一批守军起义投诚，至1949年3月共瓦解守军1.2万余人。

　　1949年1月平津战役结束后，华北军区第1、第2、第3兵团分别改称第18、第19、第20兵团，西北野战军第7纵队改称第一野战军第7军。3月，第19、第20兵团和第四野战军、华北军区各1个炮兵师，奉中共中央军委命令开赴太原前线，会同第18兵团等部总攻太原，使太原前线人民解放军的总兵力增至32万余人，与守军相比占绝对优势。3月17日，中共中央军委决定组成以徐向前为书记的中共太原前线总委员会和以徐向前为司令员兼政治委员的太原前线司令部，统一指挥参战部队。3月28日，人民解放军副总司令、第一野战军司令员兼政治委员彭德怀由中共中央驻地返回西北途经太原前线，参与指挥总攻太原的作战。

　　3月31日，中共太原前委确定了“割裂包围外围之敌，进行连续攻击，争取歼其大部或全部，占领攻城有利阵地，尔后集中全力攻城”的战役方针和部署。4月20日全线开始进攻。各部队在强大炮火支援下，采取勇猛穿插、分割包围、各个歼灭的战法，迅速突破守军防线，相继占领城北新城、太子头，城西南北汾河桥、大王村、小王村，城南狄村、老军营，城东郝家沟、剪子湾等地。至22日，全部攻占外围据点，歼灭守军12个师，并控制了双塔寺、卧虎山制高点，直逼太原市区。为减轻对太原市区的破坏和市民生命财产的损失，太原前线司令部于22日向守军发出劝降通牒，孙楚、王靖国等人仍拒不投降。24日凌晨，攻城部队用1300余门火炮进行火力准备后，对城垣发起总攻。第20兵团首先由小北门东侧突破城垣，第18、第19兵团也相继攻入城内，与守军展开巷战。入城部队以小型爆破手段，迅速开辟前进道路，向守军指挥中心勇猛进攻。9时许，攻入太原“绥靖”公署，俘孙楚、王靖国和日本顾问今村、岩田等人。至10时，太原守军被全部歼灭。

太原战役，人民解放军伤亡4.5万人，歼灭国民党军1个“绥靖”公署、2个兵团部、6个军部、20个师，共毙伤俘13.5万余人。拔除了国民党反动统治在华北的最后堡垒。浴血奋战6个多月，以4.5万人伤亡为代价的太原战役是解放战争中历时最长、战斗最激烈、付出代价最大的城市攻坚战。太原的解放，标志着华北地区的彻底解放，推动了全中国解放战争的进程。太原解放后，大同和平解放。至此，山西全省解放。