1937年9月—11月间进行的太原会战，乃是抗战爆发后，中日双方在华北进行的第一场大规模会战，也是国共两党在战场最默契的一次配合。日军出动4个半师团约14万人，意在消灭中国第二战区主力，夺取太原。中国方面有6个集团军约28万人参战，计划歼灭来犯之敌，遏制日军在华北的攻势。
太原会战主要包括平型关战役、忻口战役、娘子关战役、太原保卫战等。大同失守后，日军第5师团、察哈尔兵团向平型关前进，意图抄雁门关后路，夹击太原。为防御日军，阎锡山布置了8个军近10万人参加平型关战役，其中包括林彪任师长的115师。在此次战役中，中国军队历经团城战斗、平型关战斗、鹞子涧战斗、茹越口战斗等大小战斗，与日军激战近20日。尤其是115师发动的平型关战斗（即通常所说的”平型关大捷“），歼灭日军四五百人，打破了“皇军不可战胜”的神话。
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平型关战斗场景
接下来的忻口战役中，阎锡山将主力部队分为左、中、右三部分，其中右翼指挥官为第18集团军（八路军）总司令朱德。日军被忻口前线国军阻击20余日，其后方及交通线又被八路军的游击战所威胁，一度陷于被动。但10月26日娘子关失守，使忻口的侧背受到威胁，阎锡山被迫下令撤守忻口。
忻口战役中，中国军队奋勇杀敌，军长郝梦龄、师长刘家麒等将领殉国；日本军官大田雄太郎都在原平，为对手国军196旅立了一座慰灵塔，上书“为永久追悼在原平战争中战死的4300名无名战士亡灵设立慰灵塔”。
此时太原已岌岌可危，奉命守城的傅作义实力薄弱，据称其所部仅“新旧各六团，皆经过作战损失之余每团仅二百余人者，计实数战斗兵共约六千余”。
“太原会战”结束后，阎锡山将行营设在临汾。1938年2月，临汾失守。图为日军骑兵进入临汾城
兼之太原“守城官兵当全省局势一再失利连溃之余，对于守城任务多而生畏，再加以临时拨之新编各团，既无训练，而精神世界又不连贯，未见敌人，先行逃散”。⑤因此面对日军进攻，太原仅仅守了四天即告陷落。
在会战中，中国军队以伤亡13万人的代价，给日军造成约2.7万人的伤亡，依旧没能守住太原城。如黄绍竑所说，“这次战事，打破了山西军善守的传说。其实并不是山西军不善守，而是现代的火器太厉害了。以我们古旧的城堡与劣势的火器，要作长久的固守是不可能的、不但山西如此，以后的南京，以及各地的防守战都是如此。”具体来看，参加太原会战的中国军队“装备窳劣陈旧，如炮兵约为日军三分之一，空军战机为日军十分之一。因此中国空军既不能获得制空权，又不能支援地面部队作战；炮兵亦多分散使用，不能充分发挥威力。
