3月28日，人民解放军副总司令、第一野战军司令员兼政治委员彭德怀由中共中央驻地返回西北途经太原前线，参与指挥总攻太原的作战。太原国民党军经前一阶段作战，连同被围困期间的损失，兵力已消耗4万余人。
但已处绝境的阎锡山非但拒绝人民解放军和平解放太原的劝告，反而抓丁征兵扩充军队，编组“神勇师”、“铁血师”、“坚贞师”。并从榆林空运第83师到太原，使太原守军仍保持6个军的兵力，连同非正规军共约7万人，组成第10、第15兵团部。
其部署是:以12个师防守太原外围，以2个师防守市区，其余兵力作为机动，但战斗力甚弱。2月15日，阎锡山乘飞机逃离太原，指令“绥靖”公署副主任兼第15兵团司令官孙楚、太原防守司令兼第10兵团司令官王靖国指挥太原守军继续顽抗。
3月31日，中共太原前委确定了"割裂包围外围之敌，进行连续攻击，争取歼其大部或全部，占领攻城有利阵地，尔后集中全力攻城"的战役方针和部署:第20兵团和第7军1个师由城东北、城西北进攻北区守军;第19兵团和晋中军区部队由城南和城西南进攻南区和西区守军;第18兵团和第7军主力由城东进攻仓库区，并配合第19、第20兵团进攻东南区和东北区守军;第四野战军炮兵第1师主力、华北军区炮兵第3师(由炮兵第1旅改称)由太原前线司令部直接指挥，华北军区炮兵第4师和第四野战军炮兵第1师一部配属第19、第20兵团作战。
4月20日全线开始进攻 。各部队在强大炮火支援下，采取勇猛穿插、分割包围、各个歼灭的战法，迅速突破守军防线，相继占领城北新城、太子头，城西南北汾河桥、大王村、小王村，城南狄村、老军营，城东郝家沟、剪子湾等地。
至1949年4月22日，全部攻占外围据点，歼灭守军12个师，并控制了双塔寺、卧虎山制高点，直逼太原市区。 为减轻对太原市区的破坏和市民生命财产的损失，太原前线司令部于22日向守军发出劝降通牒，孙楚、王靖国等人仍拒不投降。
4月24日凌晨，攻城部队用1300余门火炮进行火力准备后，对城垣发起总攻。
第20兵团首先由小北门东侧突破城垣，第18、第19兵团也相继攻入城内，与守军展开巷战。入城部队以小型爆破手段，迅速开辟前进道路，向守军指挥中心勇猛进攻。
9时许，攻入太原“绥靖”公署，俘孙楚、王靖国和日本顾问今村、岩田等人 。至10时，太原守军被全部歼灭。
太原战役，人民解放军伤亡4.5万人，歼灭国民党军1个"绥靖"公署、2个兵团部、6个军部、20个师，共毙伤俘13.5万余人。
太原解放后，大同国民党守军万余人见大势已去，也于4月29日接受改编，大同和平解放。
至此，山西全省解放，结束了阎锡山对山西省人民长达38年的统治。太原战役的胜利，拔除了国民党在华北的最后堡垒，标志着山西全省解放，标志着华北地区的彻底解放，推动了全中国解放战争的进程。
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