日軍“華北方面軍”於11月3日命令第5師團歸第1軍司令官統一指揮攻佔太原。4日，第1軍司令官香月清司命令第5師團繼續攻佔太原，並以一部向汾陽附近追擊;命令第20師團在昔陽支隊佔領榆次後，以一部全力攻佔榆次西北地區，師團主力進到榆次後向介休追擊;命令第109師團循昔陽支隊前進路線向榆次前進。
戰役結果
在日軍第5師團向太原城攻擊之際，由晉東向西進的日軍第20師團在攻佔太原以南榆次後，即沿同蒲路南下，於1937年11月8日在太谷與第13軍的1個營發生戰鬥;日軍第5師團於8日夜攻佔太原後，即以一部進出交城以北地區。8日，日軍一部從太谷南進，與第529團對峙，其主力沿同蒲路南下。9日，日軍先頭部隊越過祁縣。同時，從太原南進的日軍攻佔交城。
日軍攻佔太原後，第5師團以摩托化部隊向南追擊至清徐後停止;第20師團向南追擊，於1937年11月10日佔領平遙後停止;第109師團在太原東南榆次、昔陽地區集結;第108師團原在獲鹿、井陘間集結，準備用於正太線(後改留平漢線方面)。11月12日，“華北方面軍”令第20師團及第109師團駐屯山西，第5師團調至保定、石家莊一帶休整(仍直屬“華北方面軍”)，令關東軍於15日歸還建制。
戰役評價
儘管由於國民黨軍事當局在作戰指導上有嚴重失誤，中國軍隊防守失敗退出太原戰場，使日軍得以攻佔了太原，但在保衛戰中廣大官兵英勇頑強，前仆後繼，表現出中華民族不屈不撓的愛國熱情。
太原保衛戰雖然因敵強我弱、孤城難守等原因而以失敗告終。但正是由於他們對日軍的頑強抵抗，爲閻錫山、衛立煌、黃紹竑等中央軍和晉綏軍的從容撤退贏得了寶貴的時間，拖延了日軍南犯的步履。同時，傅作義將軍徵得二戰區副司令長官衛立煌的同意，將存放在太原城內的大批槍支彈藥、武器裝備、戰略物資送交堅持抗日的八路軍。在以後的抗日鬥爭中，這些武器發揮了巨大的作用。
