娘子关方面守军的溃退，使日军沿正太路两侧迅速逼近太原，太原形势顿转严峻。阎锡山于11月1日令忻口方面的守军向菜水坞、青龙镇、天门关一线转移，协助防守太原。期间阎锡山曾向蒋介石致电，陈述其撤军的理由：”我东路军黄部退至寿阳以东附近地区后，连日被敌猛攻，仍不能支持，不得不准其逐次向内撤退。在此千钧一发时机,若不迅速令西路军卫部向市转进，一旦敌突至阳曲城下，不特该城防部队陷于孤立、难以固守，即卫部后方亦感莫大胁迫，攻守两难。为万全之计,已拟以依城野战之目的，令卫部于今晚向菜水坞、青龙镇、天门关之城转进，占领阵地，与敌决战。”
阎锡山所谓依城野战，实际上是以守城部队为核心，城市外围防御工事为主阵地，内外防守部队合力包围聚歼日军于太原城郊。但从雁门关以北到平型关战役，从忻口血战到娘子关御敌，事实上晋军的主力已经在层层设防之中消耗怠尽。仅在忻口战场之上，先后投入战斗计约十六个师，伤亡便在五万人左右。第九军军长郝梦龄、第五十四师师长刘家麒、独立第五旅旅长郑廷珍、第一九六旅旅长姜玉贞等战将都先后殉国可见战斗之惨烈。而与之所对应的日军的伤亡，国民政府和阎锡山事实上都不敢抱太大奢望。根据国民政府的统计，忻口战役日军投入兵力在5万人左右，伤亡估计在2万人上下，而阎锡山本人则估计日军的伤亡应在四、五人之间。但是其实谁都清楚，无论是那个采信数字都足以令从忻口正面突进的板垣师团和北线日军失去战斗力。
但在忻口战役之中板垣兵团不过投入混成第十五旅团以及堤支队等置于右翼，将步兵第二十一旅团等师团的主力置于左翼（西），从10月3日起，在95门火炮和航空队的支援下开始了攻击。虽然事后日军也承认忻口会战，是乘势进攻山西省的板垣兵团，对充分备战的中**队进行的一次艰苦作战。对固守阵地的敌人的攻击是没有奇计可施的，除了以优势的兵力攻取之外，别无他法。处于劣势的板垣兵团，从战斗开始起就不断出现损失，强撑着进行了苦战。但是损失并不如国民政府所预计的那样巨大。
而正因为板垣所部在忻口打疼了，为了让板垣征四郎扳回面子，从娘子关方向突破的日军即平汉线方面的第一军和津浦线方面的第二军。也知道板垣的尴尬，因此几乎是停顿下来等待让板垣所部先行攻进太原，以雪忻口战役的耻辱。而即便以**现有的兵力独立面对板垣兵团却也没有必胜的把握。除了大多数参战部队已经打残了之外，中央军和晋绥军之间的矛盾与不和也是导致太原会战最终一败涂地的主要原因。
阎锡山将其"依城野战"计划推出后，第2战区副司令黄绍竑提出了反对意见。他认为忻口和娘子关两方面的部队正在败退，恐怕在还没有占领阵地的时候就被敌人压迫到太原城边来。原有的国防工事并不可靠，万一那些部队站不住脚，被敌人压迫下来，前方许多人都混杂在像锅底的太原城区，其后果不堪设想。黄还认为，太原城固然不宜轻易放弃，但也不应以野战来支持守城，而应以守城来支持野战部队的休息整顿。即使守城部队都作了牺牲，以换取大多数野战部队休息整顿的时间，也是值得的。
因此他主张将娘子关方面的部队（能掌握的只有孙连仲部和一些陆续到达的川军）撤至寿阳县铁路以南和榆次县以东的山地收容整理，并与第十八集团军联络，从敌人侧后予以袭击；日军如向南进攻，则沿同蒲路东侧山地逐步撤向太谷、平遥。忻口方面的部队，除派一小部分守北郊既设工事警戒外，其余皆撤到汾河以西的高山地区整顿，并监视敌人，必要时侧击敌军。这样布置，从忻口、娘子关撤退下来的部队既可休整，也可牵制敌人攻击太原城，太原城内部队也可支援城外部队。
晋绥军将领对阎锡山的计划自然没有什么异议，但中央军的卫立煌以及孙连仲均表示反对，而是赞同黄绍竑的意见。会议一直开到2日深夜一点多仍然没有结果，一些疲惫的将领甚至打起了呼噜，会场上也只剩下阎锡山与黄绍竑两人相持不下，最后阎锡山只能明确表示：“军队已经行动了，要改变也无从改变了”。
当一切作战方案计划已经不可能更改的情况下，太原保卫战关键在于选定守城主将了，阎锡山一开始就看中了一向善打守战的傅作义,傅作义也当仁不让。在11月2日的高级军事会议上，当晋军将领缄默不语时，傅作义虽知其不可为，但他以国家民族利益为重，挺身而出，毅然请命：“弃土莫如守土光荣，太原城我守！”
军事会议后，阎锡山即离开太原赴交城。实际上，阎为保存自己的实力，已将晋军主力调往临汾等地，因此对于”保卫太原”的想法即便是晋绥军方面也只能是画饼充饥，此时担任前线指挥的卫立煌6日下达了暂避决战、固守太原、主力南撤、待机回歼日军的作战计划。这个计划的下达，实际上改变了阎锡山的"依城野战"的作战方针，而使守卫太原城的部队成为孤军独战，极大地增加了守城的困难。
后来局势的发展，也使阎锡山当初的的作战计划成为一纸空文。按照阎锡山的设想，由忻州退下来的部队在太原以北的黄寨、阳曲湾一线修筑的国防工事建立防御阵地，由娘子关撤下来的部队在太原东山一线建立防御阵地。但是，溃不成军的孙连仲部过早失守太原东山阵地，使东路日军直插太原侧背。蒋介石派遣的援军裴昌会所部刚刚开到阳曲湾就仓惶退回，从忻口后撤的部队未及进入阵地，日军板垣师团即跟踪追至，于是纷纷由汾河西岸向南撤退，太原环城附近已经没有中**队，阎锡山的作战计划废为一纸空文，依城野战变成了孤城独战。
1937年11月4日下午，卫立煌由忻口撤退下来，进太原城和傅作义见面，卫立煌不主张空守孤城，认为现在依城野战，已不可能，只剩太原孤军守城，徒耗兵力，不会有什么好结果，不如改变计划，一同南下。但傅作义却表示：守土抗战，军人有责。野战军在，太原当然要守，野战军走了，太原还是要守。至于后果，现在考虑不了那么许多。最后傅作义在封城以前，将卫送出城外。卫立煌给傅作义留下“相机撤退”的手令后率领他的部队南撤。太原城中的居民也大多逃离了这座大难临头的城市。
同行的**代表周恩来则深情地说：“傅将军守城名将，是可信赖的。但抗日战争，是长期的战争，焦土抗战的主张是错误的；只顾一城一地的得失也是不足为训的。要着眼于争取最后的胜利。能争取时间就是胜利，能保存有生力量就是胜利。务请深思。”傅作义虽然深为感动。但还是吩咐手下在封城的最后时刻护送周恩来出城了。
傅作义的守城部队，计有步兵第三十五军的第二一一旅孙兰峰所部、第二一八旅董其武所部共6个团，原第六十一军李服膺所部的第二一三旅杨维垣所部2个团；第七十三师代师长王思田的师部，新编独立第一旅陈庆华所部3个团。炮兵有第二十一团李柏庆所部，炮兵第二十二团刘倚蘅部和高射炮一个连。部队番号不少，但经过2个月的艰苦鏖战和严重损耗，实际兵员不过一万人左右，在周围几十里的太原城圈布防，就更显得捉襟见肘。又兼以上这些部队，大部是新编部队或拨补的新兵，即便是向来以善战而闻名的第三十五军本身，又因连续经过商都、平绥线、平型关、忻口几个战役，损失很大，元气已伤，当时每团平均只有约600人。将绥远调来的4个民兵团全部补充进去，才算基本满员。同时，傅作义对其他部队在使用上又多所顾虑，不那么得心应手，只好把自己的基本队伍第三十五军，悉数摆在敌人必攻的东城墙和北城墙上，硬着头皮打这一仗。
守城部队布署完毕后，傅作义下令准备在4日黄昏即行封闭城门。封城以前，傅作义曾集合部队作动员讲话。他说：“我们要守住太原城，阻止敌人前进，才能掩护大部队和太原居民及物资安全转移。今天就要封城，我们城里的官兵，就像活人躺在棺材里，只差盖盖子了。如果我们齐心协力守住太原城，就能把棺盖子给顶开了，大家就得救了。否则，棺材盖子就被敌人给咱钉死了。”
最后傅作义抬高嗓音，慷慨激昂地说：“困兽犹斗，我们抗日军人，为何不能和敌人决死一战呢？希望弟兄们发扬为国家、为民族英勇献身的爱国精神，努力杀敌，完成保卫太原城的光荣任务！我们必须坚决奋斗，尽到守土抗战的神圣职责！”
傅作义的这些话原本是表示与城共存亡的决心，给守城将士极大鼓舞的。但另没想到激起了一些贪生怕死之辈的求生**，一些士兵和军官在封城前相继溃逃。当天晚上，不只士兵和下级军官有越城潜逃的，就连总部里傅作义的亲随中校副官尹绍伊，第三十五军上校处长李荣骅等，也都乘黄昏封城的空子，相偕出走。面对眼前的一切，傅作义惟有说不出的悲哀。
从月初忻口中**队退却开始，日军飞机对后方侦察，便日益频繁。11月5日，日军步兵已经迫近太原，做攻城准备。日本陆军航空兵对太原市也开始了有计划的轰炸。太原城内，在5日以前，每逢敌机空袭，空防系统即发出空袭警报。从5日下午起，警报也变成哑巴了。
11月6日上午9时，板垣师团进抵太原城东北，双方开始交火。日军随即从东、北、西三个方面包围太原城，陆续扫清了傅作义布署在城墙外围的守军。日军炮兵在飞机指示目标下，从四周高地向太原猛烈炮轰。在日军火力的集中轰击下，东北段城墙逐渐被打成缺口，崩落的碎砖土块在城下摊成斜坡，守军连夜封堵修复缺口。
1月7日拂晓，北城外的日军利用关厢建筑物，东门外北段的日军利用丘陵地带，分别接近城墙，开始了全面进攻，同时，还分兵绕过东城，向城南的火车站迂回；另一支日军则由汾河上游渡河，进出于城西的汾河西岸，企图对太原合围。其主力以步、炮、空联合作战，又向我东北城角猛烈进攻。经守军连夜修复的城墙缺口，很快又被敌炮火和轰炸所摧毁。
战况极为激烈，城坡上尸骸成堆，大片黄土已经变成殷红色。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。国民党城墙守军，全力阻击，终于在兵员伤亡殆尽，援军一时调集不来的时候，被日军以一个大队的突入城内，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，在白天中**队不易接近，日军也很难向外扩张，同时双方炮兵都不能发挥作用，双方就在对峙中度过了一个不眠之夜。这天晚上，傅作义亲自登上城墙巡视，以激励士气。
就在将士们同仇敌忾浴血奋战的时候，第三十五军副军长曾延毅率领一些侍从来到大南门，命令守军搬开沙袋，从一个狭小的缺口中仓惶出逃。曾延毅既是傅作义保定军校的同窗，又是坚守涿州的患难之交，北伐战争后，傅作义担任天津警备司令，任命曾延毅为公安局长，人们传说曾延毅就是在此任上迅速致富的，傅作义曾说：“军人不能有钱，有了钱就怕死。”傅作义将曾延毅提拔为副军长，就是要剥夺他的军权以免在关键时刻影响大局。
曾延毅的出逃本来不影响大局，但是由于出城打的是第三十五军副军长的旗号，他这一折腾，看见他的人都说：“副（与傅同音）军长出城走了”。这一消息很快就传遍了靠近南城的部队。戒严副司令马秉仁不甘落后，也立时乘着“李牧号”装甲汽车赶到大南门，从炮兵掩体钻出城外，落荒逃命。于是“副司令出城走了”的消息，又不胫而走地传进了守城官兵的耳朵。
由此辗转相传，以讹传讹，把“副军长”当成了“傅军长”，“副司令”当成了“傅司令”，因而军心动摇，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。12时以后，除北城、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。
11月8日拂晓，日军在飞机、大炮和坦克的配合下，从东、北两面猛攻城垣，大北门城楼被燃烧弹击中，三重檐的城楼火焰弥漫，如同一支冲天的火炬。密集的炮火覆盖之后，一些区段三丈高的城墙被炸得不足两丈，3个大队兵力的日军于11时再次从城东北角缺口涌入城内，他们与盘踞在小校场的日军会合后，开始在城内扩张，双方展开激烈的巷战。与此同时，一部分日军开始向河西迂回，并占领了汾河桥。傅作义得知城墙东北角阵地失陷后，悬赏五万元收复，孙兰峰所部奋勇反击，到下午4时全部收复城墙上的既失阵地，拔掉了城上的日本旗，
但是此时的局势已经陷入崩溃的边缘，在万般无奈之下，傅作义只得签署了弃城的命令，守城部队先后接到退却命令（也有少数没有接到的），由于撤退仓惶，形成混乱，又是夜间行动，前后互不相顾，不少官兵脱离了部队，因而各部大都溃散。而夜渡汾河，河水虽不宽不深，但泥淖很多，由于官兵不了解河道的情况，陷入泥淖死在汾河里的人很多。总部中校参谋许挹和（浙江人，保定军校生）就死于河中。还有些部队，由于敌情不明，乱冲到太原县、清源县、晋祠、小店镇等地的日军阵地，被打死的也为数不少。至此，太原会战结束。
板垣征四郎终于如愿以偿地进入了他的学生的统治中心，只是此时他的身份已经从一年前的外宾、教官而变成了一个征服者、侵略者。日军占领太原后，也由于后续无力而暂停南下转入休整。太原战役之后的板垣仕途可谓顺畅。1938年春，板垣征四郎又率第五师团参加徐州会战，在台儿庄战役中，所部坂本支队受到重创。
1938年5月25日，板垣奉调回国，任参谋本部部附。6月3日起出任近卫内阁陆军大臣。1939年1月5日至8月30日间，任平沼骐一郎内阁之陆军大臣，并兼任对“满”事务局总裁。在内阁会议上，板垣极力鼓吹扩大侵华战争，推翻中国国民政府，拼凑傀儡政权取而代之，倡导日本与德国、意大利等法西斯国家加强军事同盟，并积极策划对苏战争。1939年2月，板垣以陆军省的名义下达《限制自支返日军人言论》的命令，禁止日军士兵返国后谈论日军在华暴行。6月间，他曾与汪精卫进行过两次会晤，策划扶植成立汪伪汉奸傀儡政权。
1939年9月4日，板垣被任命为中国派遣军总参谋长，继续参与侵华战争的指挥事宜。1941年7月7日，板垣晋升陆军大将，调任日本朝鲜军司令。1943年任最高军事参议官。1945年2月1日，复兼任第17方面军司令官。同年4月7日，在第二次世界大战即将结束，日本面临败亡之际，板垣被调任第七方面军司令，设司令部于新加坡，指挥日军在荷属东印度和马来亚等地同盟军作战。8月15日，日本政府宣布无条件投降。9月间，板垣率第七方面军在新加坡向英军投降。
而在山西战场与板垣征四郎相配合的另一员日军将领—指挥关东军蒙疆兵团的东条英机更可谓步步高升。东条英机指挥的察哈尔作战，被称作“关东军的闪击战”，日本陆军部认为：“关东军的功勋，得力于东条参谋长。”东条也因此而获得日本政府的第一张“战功奖状”。1938年5月，东条英机回国出任陆军次官，负责陆军省常务工作，兼任陆军航空部部长、航空总监。11月28日，东条英机在“陆军管理事业主恳谈会上”发表演说。他扬言要准备对中国和苏联两国正面战争，而后全部占领中国。至1940年2月，东条就任临时军事参议官；7月就任陆军大臣兼对满事务局总裁。他担任陆军大臣后，即派遣日军进入印度支那南部，并参与提出建立日本领导下的“大东亚共荣圈”的口号。从此开始出将入相。
1941年近卫内阁倒台，1941年10月，东条英机任日本内阁首相兼内务大臣、陆军大臣和对满事务局总裁，授陆军大将衔。东条英机一上任便在政府声明中重申“既定国策”，即“完成支那事变，确立大东亚共荣圈”。同年11月初，以东条为首的日本政府，在御前会议上通过了对美国、英国和荷兰开战的决定。11月中旬，东条在临时议会发表战争演说，谴责英、美阻碍日本进行侵略扩张，号召国民节衣缩食，叫嚣“一亿国民齐上阵”。临时议会根据东条的要求，通过了38亿日元的临时军费追加预算案。东条英机大力宣扬个人英雄主义，并抚恤士兵家属，关心国民日常生活，形成当时日本民众心中最平易近人的“爱国英雄”型首相。东条英机为人十分霸道，为事专断，有“剃刀东条”之称。在东条英机担任内阁首相期间，日本联合舰队偷袭珍珠港，太平洋战争爆发；同日，日本海、陆根据东条英机的命令，陆续开始对泰国、马来亚、菲律宾、关岛、威克岛、吉尔伯特群岛及香港等地发动进攻。12月8日，美国、英国宣布同日本处于战争状态。
1944年4月中旬，为加强中国大陆日军与南洋日军的联系，东条英机命令在华日军执“一号作战”手令，尽快打通横贯中国的平汉、粤汉和湘桂铁路。这是东条在中国大陆发动的最后一次较大的攻势。同年7月18日，由于日本在与美国的海战中屡遭重创，在侵华战争中连遭失败，1944年7月9日美军攻克塞班岛，18日内阁会议上。东条内阁被迫辞职，东条英机辞去日本首相、陆军大臣及参谋总长职务，最终退出军政舞台。
1948年12月22日深夜，在东京鸭巢监狱内，当板垣征四郎和东条英机等人被同时送上绞刑架时，也许他们会意识到，他的厄运正是从山西开始的，这是由于这两人的贪功冒进，将日本陆军的精锐引入了山西腹地，但又没有统筹的全盘计划，以至于虽然占领了山西省会太原，将盘踞当地多年的阎锡山和晋绥军主力赶到了晋南的临汾，甚至陕西宜川县桑柏村，却令中国**人所领导的抗日武装在三晋大地迅速成长，最终令日本鲸吞整个中国的计划归于流产。