忻口失陷，太原危在旦夕，按照阎老西依城野战的设想，由忻口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。

孰料，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。常凯申派遣的援军裴昌会师刚刚开到阳曲湾就仓惶退回，从忻口后撤的部队未来得及进入阵地，失去教导师制衡的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国部队，阎老西的作战计划废为一纸空文，依城野战变成了孤城独战。

在选择守城主将时，阎老西一开始就属意付作义，当晋军将领在11月2日的高级军事会议上缄默不语时，付作义挺身而出临危请命：“弃土莫如守土光荣，太原城我守！”

然而付作义除了他所辖的第三十五军主力孙兰峰、董其武两个旅外，还有原李服膺部的杨维垣两个团，其它部队三个团以及炮兵部队。

部队番号不少，但经过两个月的艰苦鏖战和严重损耗，实际兵员不过一万人左右，而付作义对其他部队在使用上又有所顾虑，在周围几十里的太原城圈布防，就更显得捉襟见肘。

11月4日，从忻口南撤的卫立皇进城劝付作义一同南下，付却表示：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。

卫立皇虽然对付作义的守城决心敬佩有加，但给付作义留下“相继撤退”的手令后便率领十四集团军南撤了。

守城部队布署完毕后，付作义下令封死城门，他在军官会议上说过：“我们守城就好象躺在了棺材里，就差盖盖子啦。”

然并卵，他这番誓与太原共存亡的讲话没有激起晋绥军的斗志，反而让一些贪生怕死之辈在封城前相继溃逃。

11月5日，日军开始大举进攻太原，军心大丧的太原守备部队只有付作义的嫡系在硬撑，在付出了极大的伤亡代价后，付作义眼看守城无望于11月8日下达了撤退的命令，太原宣告失守。

付作义收集残部后撤至汾阳休整，电请上级给予处分，阎老西一度准备追究他失守太原的责任，但由于卫立皇给他下达过“相继撤退”的手令以及常凯申的反对而作罢。

一年之后，由于在太原失守以及与工农党合作上与阎老西产生隔阂，付作义和阎老西分道扬镳。此乃后话，暂且不提。

11月9日上午十点，板垣征四郎率领第五师团迈着整齐有力的步点开进太原城，这一刻的板垣志得意满，再也没有在忻口战场上被八路军教导师逼迫得动弹不得的狼狈。