基本上摸清了敌人的防御体系和兵力部署。一是由兵团领导和有关部门与赵承绶等被俘高级将领谈话，晓以政策，着其提供情况；二是调动党政军的侦察和敌工部门的全部力量，分区分片进行详细侦察；三是从不断瓦解过来的阎军官兵中，了解情况。晋中战役后，阎锡山为死保太原，大力抓丁整补，将总兵力扩充到十万人左右，计有三个步兵师、三个总队（相当于师）、胡宗南第三十四师四个团等正规军五万三千人；绥靖直属部队二万三千人，保安团队二万余人。其防御体系为：以城内为中心区，以城外的东、西、南、北方向为四个守备区，构成北起黄寨、周家山，南抵武宿、小店，东起罕山，西至石千峰的“百里防线”。阎锡山自称：太原形势象人样，东山好比太原头，手是南北飞机场，两脚伸在汾河西，太原好比是内脏。从头脑、四肢到内脏，壕沟交错，碉堡林立，仅在“百里防线”内即有各式碉堡五千多个（包括班碉、排碉、群碉、炮碉、伏地碉、杀伤碉，从一层至五层不等的砖碉、石碉、钢筋混凝土碉，有品字形、倒品字形、圆形、方形、菱形、半月形、梅花形等，大多数碉堡内均有存粮、存水和饮食、睡觉的设备，以利死守）。其堡垒之坚固，密度之大，连美国记者都表示“吃惊”。陈毅同志曾来太原前线看过工事，说：
好厉害哟！阎锡山吹嘘他已将太原武装为“要塞城市”，足可抵抗一百五十万****的进攻。
上述一系列战前准备工作，主要是由周士第等前委同志及各纵队负责同志组织落实的。
九月下旬，周士第和兵团前委向军委报告了攻打太原的作战方案。其要点为：（一）以围困瓦解攻击逐步削弱敌人，然后一举攻下太原，争取三个月内结束战役。
（二）进攻步骤分三步。第一步突破敌之第一防线，以火力控制南北飞机场，断敌外援；第二步攻占必要的外围据点；第三步攻城。（三）攻击方向选定于东南、东北两处，以东南为主要方向。以两个纵队用于东南，一个纵队用于东北。（四）对于攻城妨害不大之据点，尽量不打。战术上力求连续攻击，分割包围，结合政治瓦解，歼灭敌人。
预定十月十九日发起攻击。那时，我还在石家庄。十月一日，毛主席将以上方案批送我征求意见。我复信如下：
聂薄滕赵（尔陆）并请电话转毛主席：
一日信及转来主席指示和一兵团前委电均奉悉。
对攻取太原的计划，我因地形尚不熟悉，没、有别的意见。前委九月二十八日电中计划，分三个步骤作战，很好，但主要精神是连续一直打下去，直到夺取城垣为止。假如情况允许的话，这样做是最好的，但假如第一步计划或第一、第二两步计划都完成了，而到实现第三步计划时那就比较好打了，但仍存在一个兵力对比问题。假如笫一步计划完成后，实现第二步计划时即遭到较大障碍，不能按预期计划进行，即只有先围攻使敌更疲惫后再猛攻之。总之，首先争取一直连续的打下去，在最快时间内全歼敌人是上策，先打再围带打而下之即消耗较大是中策，下策即必须增加力量再攻下之，即影响别线作战，只是最后之一途。
关于兵力分配与使用上，我亦同意前委决定，时间于十八日开始亦可以。因时间已迫近，我亦无时间再休息，拟于七日夜即赴前方，待太原攻下后再抽暇休息。
关于弹药问题，前已谈过，我没别的意见，前方必须照顾后方的生产力与财政力，亦属重要。其他一些详情待我到前方再报告。
我仍本着不急（急躁）不缓（紧张的工作着）的精神去工作，一定坚决的完成任务，请放心。
谨复并致
敬礼
徐向前
十月三日
十月一日，阎锡山出动了七个师的兵力，分三路南犯，企图抢粮并破坏我攻城准备工作。经军委批准，兵团首先围歼南犯之敌，于五日发起进攻，太原战役提前打响。
十月六日，我从石家庄出发，夜一时到阳泉以西的坡头。不巧患感冒，咳嗽加重，头痛得厉害，左肋也不舒服。七日下午勉强赶到榆次以北的五湖镇，住下来休息两天，十日才抵前线司令部。
仗打得比较顺利。当前委发现敌第四十四师、四十五师及亲训师一部进占小店、南畔村、巩家堡地区，四十师、四十九师、七十三师及十总队进占小店以东之南北王铭、西温庄地区时，决定以四个纵队出动，首歼小店、南畔之敌。从五日起，我以八纵、十三纵攻歼敌四十四师、四十五师、亲训师；西北七纵一部强渡汾河，插入小店以北，断敌退路并相机打援；以十五纵主力插向武宿以西，歼击敌四十九师，得手后以一部控制辛营，断敌第七十三师、四十师、十总队退路；七纵一部及陕北警备二旅攻占太原东山之前后李家山，以炮火控制北飞机场，并相机攻占凤阁梁等要点。至十六日，经小店、武宿、北营、大小吴村等战斗，歼敌第四十四、四十五两师全部及亲训师、七十三师、六十八师各一部，共万余人，占领了华北最大的机场——武宿飞机场，攻克了太原东南的石嘴子和东北的凤阁梁两个重要阵地，打开了敌第二道防线的两处缺口。这一外围攻歼战，我军行动隐蔽、神速、突然，抓住了敌人两个精锐师，予以全歼，是成功的。但也有缺点，主要是插入敌后的兵力太少，未能断敌退路，致使半数以上的敌人逃掉，实在可惜得很。如果开始即以西北七纵主力全部强渡汾河，而不是以一部渡河、一部相机渡河；以十三纵一个旅直插武宿以北，配合十五纵一部切断铁路，那末，融人的五个多师，便有可能大部被歼。
下一步是乘胜突破敌人的外围防线，控制攻城阵地。
原先，前委计划以城东南为主突方向，但战斗过程中发现，那里虽地势开阔，利于部队机动，但敌工事坚固，重兵把守，我得手后亦难形成对太原的致命威胁，需重新加以考虑。从地形上看，打太原必须首先控制东山。因为距城四、五公里的东山，长达八公里，四大要点——牛驼寨、小窑头、淖马、山头，居高临下，俯瞰全城，是太原的主要屏障。拿下东山，等于在阎锡山防御体系的咽喉部位砍了一刀，敌身首异处，就没有多少劲头挣扎了。历史上李自成起义军、日本侵略军攻打太原，也都是先占东山主峰，而后向西平推，突破城垣的。前委当即开会，重新研究攻击方向和作战部署。
当时的情况是：（一）经过前一段战斗，阎锡山的兵力被我吸引到南线，其东山守备力量比较薄弱、空虚。（二）从东山柳沟村来了位地下党的支部书记，叫赵炳玉，提供了重要地形情况。我和他谈话，他说：东北方向有条小路，可直插敌纵深要点牛驼寨，只要部队隐蔽行进，便不易被敌发现。（三）东南方向的重要阵地石嘴子已被我占领，继续向纵深地区突破，拿下“九沟十八川七十二个窑子关”的马庄一线阵地，亦有可能性。（四）冬季即将来临，天寒地冻，不利我军攻城作战，以早日拿下太原为好。经兵团前委讨论，决定首先攻占东山，从东北、东南及正东方向逼近太原，相机攻城。
阎锡山所谓“足抵精兵十万”的四大要塞，均坐落在东山山麓的顶端，地势险要，工事相当坚固、复杂。牛驼寨位于城东北五公里处，可屯兵五千人，由三大集团阵地构成防御圈环，十个主碉为阵地支撑点，地形狭窄，山峰叠起，多劈坡绝壁，系敌东山防线上的主要阵地。小窑头在城小东门以东四公里处，该山主梁狭窄，支梁崎岖，共有大小十三个山头，敌依此筑成交错连环阵地，凭借劈坡和高低碉堡防守。淖马在城东三公里处，以淖马村为主阵地，劈坡有五层之多，周围山顶设有一至九号碉堡阵地，与主阵地相连接。山头则位于城东南五公里处，由主阵地山头及大脑山阵地构成，两大阵地之间，相距六百米，有工事连接，主阵地劈坡高达四至六米，少者二层，多者五六层。这些要点，除大量明碉暗堡和多层劈坡外，还挖有数道壕沟、暗道，纵横交错连接，设置许多铁丝网、鹿砦、地雷等副防御物。每个要点，俨然如一座坚固的城堡。
我军的攻击部署是：以西北七纵及晋中部队一部，由小店以北经榆次秘密向东北开进，楔入东山纵深，袭取最大要点牛驼寨，并以炮火控制北机场，另以一部袭占大北尖，与南面大窑头方向十五纵队相连接，切断罕山、孟家井敌归路，并歼灭之。十五纵由石嘴予向淖马攻击，得手后继续向大东门攻击，并以一部袭占大窑头，衔接西北七纵，断敌退路；十三纵首先夺取南坪头、马庄，向双塔寺攻击，得手后向城东南角进击；晋中部队主力位于城南一线，攻击各据点，以一部在汾河西积极活动，牵制敌人；
八纵二十四旅为七纵预备队，另两旅为兵团总预备队。
十月十六日，我军发起攻击。十三纵第三十九旅首先向敌四十九师、七十三师的指挥中心马庄进攻。十八日拂晓前，秘密插入牛驼寨西北的七纵一部，向守敌发起突然袭击，连克炮碉及九座碉堡，基本占领了该要点，敌全线震动。接着敌组织兵力，在强大炮火掩护下，发起十多次反扑，均被我控制阵地的七旅十几团英勇击退。十九日晚，七纵另一部攻克火北尖等阵地，歼敌一个营；驻罕山敌奋斗第八团，向八纵二十四旅投诚；十五纵一部亦攻占石儿梁，但因未及时与大北尖打通，致使孟家井敌三个团逃脱。二十一日，敌以其精锐第三十师和十总队的三个团，向我牛驼察阵地猛扑。敌人集中百门以上的山炮、榴炮，一天内即发射炮弹一万多发，将牛驼寨地区工事几乎全部摧毁。我七旅十九团蒙受重大伤亡，遂被迫撤出牛驼寨。同时，向马庄进攻的第十三纵，因遭敌顽强抗击，亦未扶进展。
这时，阎锡山为确保东山屏障，尽其所能抽调的兵力，集中于四大要点，“守碉互援”，“加强地下战”。
敌以十总队另六十八师一个团守牛驼寨；四十师一个团及保安六团一部守小窑头；八总队及保安六团大部守淖马；九总队另七十三师、四十九师一部守山头。另以三十师全部、四十师两个团，组成机动兵团，担任反扑、援应任务，并组织城东一线支子头、黄家坟、山庄头、马厂、剪子湾、小东门、大东门、淖马、双塔寺等炮群，进行火力支援。
我们鉴于前一段的进攻兵力部署面较宽，影响迅速夺取四大要点，当即将部署调整为：集中兵力、火炮，坚决攻克四大要点，趁势向城脚发展。以西北七纵攻取牛驼寨向陈家峪发展；八纵四个团攻取小窑头向杨家峪发展；十五纵攻取淖马向伞儿村发展；十三纵攻取山头向双塔寺发展。十月二十三日，兵团颁布总攻击令，要求各部队充分做好准备，以便随时投入战斗。
二十六日夜间，我军发起总攻，四大要点争夺战全面展开。
这是一场空前剧烈的恶战，打了十七个昼夜。敌我双方的主力部队，均先后投入战斗。我军投入战场的兵力有二十七个半团，占总兵力的五分之四以上；阎军除守备西山的两个师和一个工兵师，以及守备城南和城北的各一个师外，其余各师均全部或一部投入战斗。双方参战的各种火炮，达八百余门。
“困兽犹斗”，一点不假。守敌虽处在我军的严密包围和猛烈攻击下，但因受阎锡山的毒化教育甚深，有险要地形、坚固工事和强大火力作依托，战场上又有“执法队”严厉督战，故相当顽固，与我死打硬拼，寸土必争。我军指战员奋不顾身，前仆后继，攻坚破垒，不拿下东山誓不甘休。每占领一块阵地，要经过一次、两次、三次以上的突击；巩固一块阵地，要打退敌人五次、六次、七次以上的反扑。有些阵地，时而被我攻取，时而被敌夺回，反复拉锯。在牛驼寨，我西北七纵打得异常艰苦、顽强。总攻发起后，该纵以三旅担任主攻任务，十二旅为第二梯队，相继投入战斗。守敌两千余精锐部队，拼死顽抗，猛烈反扑，使我伤亡甚众，攻势受挫。后将警备二旅亦投入战场，至十一月二日，七纵控制了除庙碉以外的大部阵地。以后，以七旅攻击庙碉，与敌反复争夺，至十三日全歼守敌，终将庙碉攻克，全部占领牛驼寨。战斗中，我三旅八团，十二旅三十六团、七旅十九团和二十一团、警备二旅四团和六团，均付出了重大代价，做出了重要贡献。在小窑头，我八纵七十一团经连续奋勇突击，攻占第十三、十四号阵地后，敌集中强大炮火猛烈轰击，并施放毒气弹、烧夷弹，掩护三个步兵团反扑。经七小时反复冲杀，七十一团遭受重大伤亡，被迫撤出阵地；次日，十四号阵地复被我七十团夺回，但十三号阵地仍在敌手。又经过两天的反复冲杀，我十四号阵地再次失而复得；十三号阵地亦重新夺回，敌两个连全部就歼。在淖马，我十五纵发起攻击后，经一天激战，即打垮守敌，占领主阵地。敌“执法队”暴跳如雷，将放弃阵地的八总队一团二营营长姜啸林等二十余人枪毙。接着，敌集中第四十师全部、八总队大部，向我阵地疯狂反扑，两天内反扑十九次之多，均被我杀退。
部队乘胜反击，又夺占六个阵地，歼敌一部，我四十四旅政治委员李培信，不幸牺牲。在淖马炮碉争夺战中，四十三旅二一七团打得最为出色。十一月上旬，该团在摸清敌情、周密准备后，向淖马村西炮碉阵地猛攻，五个小时解决战斗，全歼守敌一个营和一个机炮连。次日，敌纠合三四个团的兵力反扑，发起十多次攻击，并一度突入我阵地。
二一七团沉着应战，依托各支撑点，用纵横交叉火力夹击敌人，弹药用尽即以刺刀、铁镐、石头与敌搏斗，最后在八纵、十三纵炮火支援下向敌反击，共毙伤俘敌一千五百名。战后，受到了兵团的通令表扬。在山头，我十三纵三十八旅担任主攻任务，三个团相继投入战斗，突击队多次发起冲锋，均未攻克，伤亡较大。后将三十七旅拿上来加入战斗，从三个方向发起总攻，至十日占领山头主阵地，十一日全部摧毁敌据点，结束战斗。
十一月十二日，东山战斗胜利结束，四大要点全被我占领，共歼敌一万余人，我军伤亡亦达八千五百人。我们原计划乘机攻克太原，但这时的情况已不允许。一是部队伤亡较大，疲劳已极。我们只有四个建制团未投入战斗，完好无损，其余均程度不同地受到损伤，亟待补充休整。
二是太原城内黄樵松部起义失败，里应外合已不可能。三是阎敌在汾河以西修筑的五个临时飞机场，未被我发现和控制。东山战斗中，敌八十三旅空运来援，如攻城太急，敌空援兵力陆续增加，对我更不利。因此，我们决定停止战役进攻，暂时转入休整补充阶段。十一月十六日，军委电示我们：“再打一二个星期，将外围要点攻占若干，并确实控制机场，即停止攻击，进行政治攻势。部队固守已得阵地，就地休整。待明年一月上旬东北野战军入关攻击平津时，你们再攻太原。”军委的这一要求，是从全盘战略局势着眼的。那时，辽沈战役胜利结束，淮海战役正在进行，收拾平津之敌迫在眉捷。如太原攻克过早，傅作义会感到更加孤立，有可能放弃平津南撤，增加我渡江作战的困难。对太原围而不打，稳住傅作义，待东北野战军进关后，先收拾平津之敌，再解决太原之敌，有百利而无一害。这样，也就给了我们更多的时间，进行休整准备，便于一举攻克太原。
总的看来，兵团前委在小店、武宿战斗后，趁敌兵力南向，作出攻占敌东山要塞的决定，是及时的、正确的。