老谋深算的阎锡山又岂能猜不透蒋介石打的这个“两虎相争”的如意算盘，非常清楚蒋介石是要把自己来个“废物利用”，用自己和晋绥军去削弱张学良和东北军。阎锡山明白，自己和晋绥军已经走投无路，投降都不可能了，只能血战到底，因此命令陈长捷等外线将领，把部队收拢在太原，破釜沉舟、背水一战，同时自任太原城防司令，任命守城名将傅作义担任太原城防副司令，准备集结晋绥军全部主力，在太原和东北军决一死战。东北军攻城总指挥于学忠眼看在晋南、豫北、鲁西的晋绥军陆续赶向太原，担心东北军和晋绥军会爆发大规模的内战，因此命令飞机向太原城内空投传单，并竖起高音喇叭对晋绥军喊话，声称阎锡山的垮台已是不可避免，东北军和晋绥军都是中国军队，都是中国人，没必要同室操戈、自相残杀，希望晋绥军将领看在大局份上，命令部队放下武器，东北军保证和平接受太原和山西，绝不损害山西的一草一木，并且对投降的晋绥军官兵和山西方面的军政高层都会以礼相待。
但晋绥军高层对阎锡山的忠诚程度非常高，阎锡山用人方面也一贯是“非山西人不用”，因此晋绥军高层清一色几乎都是山西人，在故乡遭到外省军队进攻的情况下，十分同仇敌忾。东北军的劝降没有起到任何作用。
于学忠一方面积极调兵遣将、全力备战，一方面把太原战事的情况告诉张学良。张学良也暗暗吃惊，没想到阎锡山如此硬骨头。蒋百里、李浴日、杨杰、杨宇霆等人则敏锐地察觉出，阎锡山其实更多的还是逼上梁山，被蒋介石逼着跟东北军拼个鱼死网破。杨杰随后向张学良提议，命令石友三的“东北军第三军”在豫北鲁西一带发起进攻，牵制晋绥军回援太原的部队。实际上，张学良在关内还能调动的，也只有石友三等一批临阵倒戈投向自己的其他派系的杂牌军，除石友三外，还有庞炳勋、孙殿英、焦文典、梁冠英等等，张学良把这些杂七杂八的部队暂时都编入石友三的第三军内。张学良听了杨杰的提议后，立刻致电石友三，并派飞机空运三十万大洋的军费给他，要求他立刻在豫北鲁西发动牵制性进攻，拖住晋绥军。
石友三当然不是真心归顺张学良的，只是借张学良这棵大树暂时栖身。张学良若是派石友三去打硬仗恶仗，石友三肯定消极避战、阳奉阴违，但张学良现在要他打的是牵制性的战事，也就是专门捣乱搞破坏的游击战，石友三还是比较听命的。毕竟石友三现在本身和部队都在关内，都在蒋介石和中央军的地盘内，一旦张学良宣布不要他了，蒋介石马上就能对他秋后算账。石友三接受了张学良的官帽和空运来的三十万大洋后，颇为卖力地攻击正在撤回山西的晋绥军各部，又大肆破坏铁路、公路、桥梁等交通线，客观上确实帮助东北军牵制了数万晋绥军。
9月18日，东北军和晋绥军展开的太原战役猛然爆发。东北军共计投入了六个步兵师、两个骑兵旅、500多门大炮、150多辆坦克和装甲车、120多架飞机参战，总兵力约10万人；晋绥军投入10个师、1个骑兵师、4个炮兵旅、2个保安纵队参战，总兵力也差不多10万。东北军的优势是准备充分、弹药充足，重武器和火力都占上风，且拥有空中优势；而晋绥军的过半部队都是刚刚从中原大战前线撤回来的，伤兵满营，弹药辎重的损失都很大，但晋绥军善于防御作战和守城，且拥有“保家卫乡”的思想觉悟，因此士气和斗争都不输给东北军。这都注定了太原战役是这场中原大战期间最残酷的一场战役。
开战前，东北军第105步兵师师长高维岳中将问官兵们：“你们忘了晋绥军当初背信弃义的事情了吗？”（北伐战争初期，阎锡山原本答应和张作霖并肩作战的，结果却出尔反尔，不但吞了原本属于奉系的绥远省和察哈尔省，还宣布晋绥军加入北伐军并对奉军开战。为此，当初和阎锡山达成联盟协议的奉系元老韩麟春气得中风不起。）
官兵们大呼：“没忘！”
高维岳又问：“你们忘了涿州旧恨了吗？”（在国民党第二次北伐时，阎锡山出尔反尔地反叛了张作霖的安国军政府，率领晋军加入北伐军，随后袭取了北京附近的军事要地涿州，严重威胁北京。奉军为夺回涿州，和晋军爆发涿州战役。双方拼杀了两个多月，都伤亡惨重，奉军最后没能夺回涿州，使得北京一直暴露在晋军的攻击范围内，这也是张作霖决意放弃北京和关内，退回关外的一个重要原因。涿州战役可算是奉军和晋军的彻底积下仇怨的战役。）
官兵们再次大呼：“没忘！”
高维岳振臂高喊：“打倒阎锡山！”
官兵们大喊：“打倒阎锡山！”
连天的炮火和震天的喊杀声中，东北军六个师和两个骑兵旅兵分两路，沿着汾河两岸对太原城展开猛烈进攻，六个炮兵团齐齐怒绽烈焰，全力轰击晋绥军阵地，超过八十架东北军飞机在太原城上空狂轰滥炸并俯冲扫射，全城黑烟冲天、烈火四起。东北军第103师担任正面主攻，师长丁春喜集结三个主力团在炮火和飞机的掩护下向太原北关兵工厂和东北城外黄国梁坟的晋绥军阵地展开全力进攻，为其提供炮火支援的第2炮兵团黄永安部集合数十门榴弹炮的火力向太原东北城角城墙急速轰击，半小时内落弹一千余发，炸起的硝烟遮天蔽日。地动山摇的轰鸣声中，一片宽百余米的城垣犹如泥石流般轰然倒地，崩塌落下的砖块碎石在城下堆成了斜坡。第103师进攻部队以八辆坦克开路展开冲锋。守卫该地的晋绥军第十九师郭宗汾部奋力抵挡并开炮还击，双方炮兵部队互相压制。冲击的东北军坦克被晋绥军炮火摧毁两辆，晋绥军的炮兵则遭到东北军炮兵的强势压制，被炸毁大炮十多门，炮兵死伤近百名。冲锋的东北军部队随即与晋绥军在城垣崩塌断裂处短兵相接，互相扫射，双方士兵成片成片倒地，瓦砾废墟间血流成河，后续的东北军漫山遍野，反击的晋绥军前赴后继，冲入城内的东北军旋即和晋绥军展开白刃战，全城杀声震天，战况异常激烈，枪林弹雨弥空匝地，东北军第103师第511团团长傅铭勋上校在率团投入攻击不到十分钟，就被流弹击中头部而阵亡。东北军第103师在汾河西岸曾四次攻入太原城内，最后都被逐出，在城内遗尸一千八百多具，抵挡的晋绥军段树华部第11师一天之内的死伤人数就超过五千，全师两天后已丧失战斗力。
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