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。