十一月二十一日上午十时三十分左右，从西安和洛阳两个机场起飞的苏联航空队的二十八架轰炸机、四十八架战斗机，几乎是同时攻击了设在河北正定、山西原平的两个日军主要机场以及太原城外的日军阵地，一举击毁停放在机场的日军飞机七十余架，并炸死炸死太原城外的千余名日军、摧毁大小火炮六十余门。
轰炸刚过，第十二集团军就以五十余辆坦克和装甲车、以及三百多辆汽车组成的装甲机械化突击集团，分四路以迅猛的速度向聚集在太原城北和东南的日军集群的后翼展开了包抄，而更多的步兵则在上百门火炮的掩护下，从几个侧翼向日军发起了进攻。经过几个小时的激战，到下午三点钟，第十二集团军消灭或击溃了日军小股部队的多处阻截，迂回的装甲机械化集群最长突击距离三十多公里、正面步兵和配合的少量装甲部队推进最少十二公里，终于将日军两万余人攻城集团的后路全部切断，并成功的将其从三面分割包围。
围攻太原的日军在受到空袭时就意识到了中国军队要开始反击，但之前以几乎是一比十的兵力取得了一边倒的胜利，使得他们对中国军队的反击不屑一顾，加之受到了城内守军的牵制，竟没有再派出兵力去加强侧翼保护，等他们感觉到了这次中国军队的反击非比寻常、再想变更部署时，却已经来不及了。
十二集团军在天上不见敌机踪影，地面没有太多敌人炮火威胁的有利情况下，根部不给日军以喘息的机会，在经过半个小时的补充调整之后，就立刻向还没来得及构筑工事和组织反击的日军发起了新一轮的进攻。
此刻，经过了沪杭战役考验和磨砺的第十二集团军官兵的战斗力已更上了一个台阶，而且对战斗的胜利充满了信心，所以各种武器和战术运用自如，第一次冲锋就将日军所战据的区域拿下了四分之一，使包围圈内日军的核心地带处在了己方八一毫米迫击炮的射程之内。
于是，战场总指挥廖广泽下令暂停进攻，改用以炮火对日军兵力集中处和主要火力点实施密集射击。
不算留作预备队的六十四军的那个团，六十五军和独立三师以及配属炮兵共携带了六零和八一迫击炮二百余门，七五山炮和野炮六十余门，再加上太原城里还存下来的几十门各类火炮，此刻一起射击起来可谓是惊天动地。而且由于可以利用城墙和城外的几个高地为炮火提供校正，所以日军只要是稍有集结，炮弹就会长了眼似的随之而至，而那些不便转移的战防炮和残余的大口径火炮，更是在不到十分钟之内就被摧毁殆尽，稍灵活一些的重机枪和少量的迫击炮泽根本就没有立足之地，只得由射手们抬着到处乱跑躲避迫击炮弹的追踪，而且数量也在不断减少。
但日军也不是任人宰割之辈，尤其是太原北门外的第五师团二十一旅团更是日军精锐中的精锐，军官和士兵都深受武士道精神熏陶，即便是面临绝境也仍然没有放弃顽强的抵抗的决心。
负责指挥太原北门攻城行动的二十一旅团旅团长三浦敏事，从战场的形势很快判断出了要想从其它方向突围几乎没有可能，于是便使出了极为凶险的一招。
当中国军队的炮击还在继续之中时，只见数十名的日军军官突然一齐拔出了指挥刀狂吼起来，然后就举着刀向太原城方向冲了过去，数千名的日军士兵也从地上爬起来，黄呀呀一片紧跟在官佐们身后、嚎叫着向城墙的坍塌处扑去，而那些掷弹筒手和重机枪手也不顾会受到炮火打击的危险，纷纷架起手中武器，以最快的频率向城墙上倾泻着瓢泼般的弹雨。
日军这一疯狂的举动，同样也把城内和城外的中国军队搞了个措手不及，虽然是炮弹手榴弹一个劲的朝日军脑袋上砸去，日军也成团成片的被炸翻，但大部分的日军还是很快的接近了城墙，突前的一部分已经蜂拥的顺着倒塌的城砖在往上攀。此时，外围十二集团军的迫击炮射程已不够，其它中远程火炮和城内的火炮一样，因怕误伤自己人而不敢向城下射击，而城墙上的守军也被日军城外精准而密集的射击压的几乎不敢露头，守城的形势岌岌可危。
如果是让日军突破进了城内，不光城内的守军和百姓要遭受巨大的损失，而且这些日军还可以凭房据守，再想收拾他们就必会徒增更多的消耗和伤亡，并且由于作战时间的延长，十二集团军还必须分兵去阻击敌人的援军。
如果把整个战斗拖至明天，日军一旦恢复了正定或原平机场，或是抢建起了其他临时机场，十二集团军就只能冒着日机的空袭来作战了，其后果可以说是相当严重的。
所以尽管还有数千的日军在进行防御，但在此危急情况下，廖广泽迫不得已向部队提前下达了开始总攻的命令。
这个命令同时也意味着本想稳扎稳打的十二集团军，将付出比原来预想要大的伤亡。
又一轮炮火急袭过后，十二集团军近三万步兵和数十辆坦克装甲车一起出动，很快就和防守的日军混在一起，展开了一场昏天黑地的厮杀。
总攻的命令一下，团长陈绪就立刻领会到了上司的意图是想尽快解除日军对城内的威胁。
于是他脑筋一转，便迅速调集了周围的四辆旧式轻型坦克和二十余辆卡车，由四辆坦克打头，在每辆卡车上都装载了一门迫击炮和一挺通用机枪，看准了日军兵力较为薄弱的地方，便亲自率队不顾一切的杀了进去。
这个临时组建的突击队一直冲了一千五六百米才停了下来，然后用坦克驱散了附近的日军，并和十余挺机枪一起建立了一个防御圈。而二十余门架设在卡车上的迫击炮则迅速的测定了目标，随即便对集结在城墙豁口下的日军展开了轰击，连续上百发炮弹落下之后，城下的日军死伤累累，进攻的队形也被炮火拦腰截断。
而城上守军就此得到了短暂的喘息机会，便迅速集中了兵力和火力进行反击，很快就把已经爬到城墙上和正在攀爬的数百名日军消灭或打了回去，并立刻重新布置了防御，城内几十门迫击炮也按照命令开始在调整射击方位。
这就是在战术素养与装备方面的差距了。
向刚才那种情况，十二集团军只要电台一呼唤，炮兵三两分钟之内就可以重新确定目标并进入射击状态，而晋绥军在电话不畅的情况下，要想重新确认炮击目标，大多情况下只能靠通信兵来回奔跑传达命令。
见到危机暂时得以缓解，在据北门不远处督战的傅作义等，才来得及摘下帽子擦拭汗水。
但仅仅七八分钟的时间，孤注一掷的三浦敏事又发起了第二轮的进攻，而且还派遣了近千日军转头向突然出现的中国军队的临时迫击炮阵地扑来。
同时，在临时防御圈周围几百米处散落的日军，见到这群机动炮兵对攻城的主力构成了严重威胁，便全都自发的向这个方向围拢过来。
虽然陈绪所部有四辆坦克和二十余挺机枪的掩护，但是无奈日军分布太广，虽然可以暂时可以阻拦其接近，但却无法顾及全部火力点，所以仅几分钟的时间，就有两辆卡车和三个机枪阵地相继被日军的掷弹筒所命中。
“撤！”见到城内的曲射炮火发射的炮弹已经在城下的敌群中纷纷炸开，陈绪便下达了撤退命令。
于是剩余的卡车立刻四下散开接回了机枪和射手，然后在坦克的护卫下加足了油门顺着原路拼命的往回撤，虽然中途又有两辆车被日军掷弹筒打坏并造成了十余人的伤亡，但伤员和其余人员都被迅速转移到了其它车辆上，再向后又撤了七八百米后就与自己正在进攻的部队汇合了。
这次规模不大的突击，陈绪的部下一共阵亡二十一人、重伤八人，轻伤二十九人，包括陈绪自己的下颚也被弹片划了一道口子，弄得脖颈和前胸上满是鲜血。
但正是这次果断奇特的突击行动，顿挫了日军的进攻气势，为城内守军的调整争取到了关键的二十几分钟时间，也使得十二集团军的部分进攻部队趁日军注意力转移之机突进了日军防线，为下一步聚歼日军的战斗得以全部在野外进行创造了条件。
下午五点一刻，鏖战一个多小时的十二集团军六十五军的两个师终于接近到了距城墙只有一千多米处，并和由城内沿城墙上的豁口处主动出击的三十八军教导团一起，肃清了城北外围的零散日军，从而将敌二十一旅团主力压缩在了最宽处仅两公里多的地段上。
而城东的独立三师和六十五军的另一个师，也同时将敌一零九师团三十一旅团、以及二十师团的两个大队消灭了大半，并且打乱了其全部建制。
早上从城北迂回越过了汾河，企图切断城南汾河桥的日军另外两个大队，也被卫立煌部一个旅和城墙上赵寿山的十七师用数十挺机枪组成的火力网，牢牢的压制在了原地。
整个战斗的关键，就看对城北敌二十一旅团剩余的三千余人的战斗了进展程度了，只要这股最凶悍的日军被消灭，其余零散之敌则根本算不了什么。
但这个时候，从北面忻州方向和东面寿阳方向来的两股日军援军共计一万六千余人，不顾十八集团军等部在沿途对其进行的不断袭扰，已经进至到了距太原仅二十八到三十五公里处。如果没有大的阻碍，两股日军只要再有四个多小时就可以威胁到十二集团军的后翼了。
凭十二集团军现有的兵力和装备并不惧怕这两股日军援军，按正常情况完全可以动用预备队、再另外抽调三分之一的兵力，去阻敌一路援军并包围另一路。可关键问题是十二集团军这次长途奔袭由于时间紧张和运力所限，所携带的弹药有限，刚才几个小时的激战已经用去了大半，剩余弹药、特别是炮弹，已经不足以再供在几个战场的同时大战了。
谢昌云把日军援军的情况通报给了廖广泽，并听他报告了战斗进展和弹药预存情况，稍做考虑后便道：“根据目前战况，我们不必太顾虑日军的援军，只要你们能在四个小时之内基本解决战斗，日军援军即便是到了，但在与太原城外日军失去联系、而且由于沿途道路被破坏严重、大部分重武器都没有跟过来的情况下，也不敢贸然在夜间采取大的行动。我再催促一下联勤司令部，也请阎长官多派人派车给予协助，争取明天凌晨之前能把弹药送到，到时候对敌人的增援部队我们再做打算。”
对以优势兵力和火力，在四个小时之内消灭没有重火力和空中支援的数千日军，廖广泽认为完全有把握做到。
所以在对攻击部队进行了最后一次补充和调整之后，十二集团军就在初降的夜幕下向日军发起了又一轮的猛烈进攻。
这一次不光是针对城北和城东南的两处残敌，还把预备队的一个团和两辆坦克、六辆装甲车也调了上来，负责与卫立煌部和十七师一同围歼城外汾河西岸的近两千名日军。