日军“华北方面军”于11月3日命令第5师团归第1军司令官统一指挥攻占太原。4日，第1军司令官香月清司命令第5师团继续攻占太原，并以一部向汾阳附近追击;命令第20师团在昔阳支队占领榆次后，以一部全力攻占榆次西北地区，师团主力进到榆次后向介休追击;命令第109师团循昔阳支队前进路线向榆次前进。
战役结果
在日军第5师团向太原城攻击之际，由晋东向西进的日军第20师团在攻占太原以南榆次后，即沿同蒲路南下，于1937年11月8日在太谷与第13军的1个营发生战斗;日军第5师团于8日夜攻占太原后，即以一部进出交城以北地区。8日，日军一部从太谷南进，与第529团对峙，其主力沿同蒲路南下。9日，日军先头部队越过祁县。同时，从太原南进的日军攻占交城。
日军攻占太原后，第5师团以摩托化部队向南追击至清徐后停止;第20师团向南追击，于1937年11月10日占领平遥后停止;第109师团在太原东南榆次、昔阳地区集结;第108师团原在获鹿、井陉间集结，准备用于正太线(后改留平汉线方面)。11月12日，“华北方面军”令第20师团及第109师团驻屯山西，第5师团调至保定、石家庄一带休整(仍直属“华北方面军”)，令关东军于15日归还建制。
战役评价
尽管由于国民党军事当局在作战指导上有严重失误，中国军队防守失败退出太原战场，使日军得以攻占了太原，但在保卫战中广大官兵英勇顽强，前仆后继，表现出中华民族不屈不挠的爱国热情。
太原保卫战虽然因敌强我弱、孤城难守等原因而以失败告终。但正是由于他们对日军的顽强抵抗，为阎锡山、卫立煌、黄绍竑等中央军和晋绥军的从容撤退赢得了宝贵的时间，拖延了日军南犯的步履。同时，傅作义将军征得二战区副司令长官卫立煌的同意，将存放在太原城内的大批枪支弹药、武器装备、战略物资送交坚持抗日的八路军。在以后的抗日斗争中，这些武器发挥了巨大的作用。