徐向前繼續分析到：“閻錫山自己有個比喻，叫做‘太原形勢像人樣，東山好比太原頭，手是南北飛機場，兩腳伸在汾河麵，太原城內是五髒’，那麼，攻下四大要塞一線陣地，就等於割斷了他的咽喉，整個東山就會被我控製，既可以奠定太原的基地，又可以打通後方人民群眾支援我軍作戰的道路，‘土皇帝’就變成‘甕中鱉’了”。
“東山看著險，隻要打得妙，一定能打下。柳溝村地下黨同誌給我們提供的一條路線，是敵人東山守備區與北區的分界線，兩區都不大管，我們從這裏插進去，一定能攻上東山，占領牛駝寨。閻錫山揚言共產黨不敢打牛駝寨，我們偏偏要攻打牛駝寨。目前，我軍剛剛在城南、城北發起了猛攻，敵人正集中力量在兩處頑抗，我們要乘敵不備，采取突然襲擊，堅決奪取牛駝寨，進而一舉拿下四大要點”。
根據兵團的作戰意圖，部隊即開始了緊張的戰役準備。而閻錫山為破壞我軍的攻城準備及拖延我攻城時間，並尋機搶糧，從10月1日開始，以7個師分三路向南進犯。其中，左路以第七十三師、第二七五師、第二八三師和獨立第十總隊沿同蒲路南下，10月3日進占武宿機場、馬連營以東以南地區；中路為暫第四十四師、第二八0師及第七十二師一個團，10月3日進至小店、南黑窯地區：右路以第六十九師在汾河以西策應，10月3日亦進至晉源縣之龐家寨；其第六十六師進至小店以北地區，擔任預備隊。
接此報告，徐向前考慮到：出城之敵已脫離陣地，失去依托，處於運動狀態，其翼側暴露，是難得的殲敵良機，我抓住敵人認為我沒有完成戰役準備不會對其攻擊的可乘時機發起攻擊，可以收到出敵不意之效。為此，徐向前決定將計就計，果斷改變原定10月18日發起戰役的決心，迅速調整部署，利用敵人主動出城，脫離堅固工事，失去依托和防護的難得戰機，首先殲滅出犯之敵，並乘勢奪取太原外圍陣地，為爾後的攻城作戰創造有利態勢和條件。為此，一麵下達作戰命令，一麵將作戰部署於10月3日20時上報中央軍委：“我決心全殲該敵，部署如下：八縱、十三縱殲滅四四師、四五師：十三縱先以一個旅插入小店東北切斷敵歸路；七縱以一個旅自汾河西強渡，切斷小店敵退路；八縱、十三縱得手後，再殲七三師、四十師：十五縱留一個旅監視東山之敵，主力殲滅四九師，得手後，插入武宿機場以北，切斷敵退路，配合主力殲滅武宿附近之敵：七縱主力殲滅六九師得手後，相機渡河向東、向北發展”，第七縱隊獨立第十二旅及警二旅於城北襲占陽曲鎮以東之前後李家山，以炮火控製北機場。“戰役定十月五日五時發起”。中央軍委和毛澤東當即複電肯定了徐向前這個善於抓住戰機並及時果斷利用戰機的新的作戰決心。10月6日1時，中央軍委複電徐向前：“你們原定酉巧開始太原戰役，現已提前十三天。因敵被迫向外擴張，給我以良好殲敵機會，如果敵人戰力不強，你們又指揮得當，乘機進擊，可能於短時間內全部肅清城外之敵，並可能縮短攻城時間，不可停留多久，即可乘勢攻城，提早解放太原”。
根據兵團前委的作戰部署，各縱隊邊迅速完成作戰準備，邊進至指定作戰位置。
10月5日5時，太原戰役發起。第七縱隊東渡汾河，直插小店以北地區：第十五縱隊由東向西直插武宿機場以北：第八縱隊、第十三縱隊迅即將駐小店之敵第四十四師及第七十二師的1個團、駐南黑窯地區之敵第二八0師及駐南畔之敵第二八三師的2個營全部包圍。戰至6日晨即全殲該部。部隊遂即按照預定計劃乘勝擴張戰果。6日20時，中央軍委又致電徐向前、周士第、陳漫遠：“你們擬乘勝向太原城周盡量擴大戰果方針很對。向前三日逐稱，連續一直打下去，在最快期間全殲敵人直至奪取城垣是上策，先打再圍帶打是中策，曠日持久是下策。此項意見和我們今晨電意見相同。你們現有良好機會可以全殲南麵及東麵之敵，得手後敵必震動。望你們乘勝擴張，逐一全殲外圍之敵，占領一切機場。然後看形勢，如我軍傷亡甚大，城內敵人尚多，城防尚固，則應略為休息補充，然後攻城。如我軍傷亡不大，城內敵人不多，城防不甚堅固，則應乘勝攻城”。
小店圍殲戰後，第十三縱隊與第十五縱隊配合，於6日晚準備繼續圍殲位於武宿地區之敵第七十三師、第二七九師、第二八三師等部。但由於未能確實斷其退路，致使該敵得以乘鐵甲列車逃脫，僅殲滅了敵第七十三師一個團及第二八三師一部。為挽回出擊不利態勢，確保達成作戰目的，閻錫山從7日開始以第三十軍向南反撲，被早有準備的我第七縱隊奮力抵抗，挫敗其反撲，進至汾河以西的敵第六十九師見勢不妙，也不戰而逃。兵團前委及徐向前遵循中央軍委關於“乘勝向太原城周盡量擴大戰果”的要求，當即下令乘勝追殲，擴大戰果。戰至13日，先後攻占了武宿機場，並掃清了大馬村、北張及城東南石嘴子等據點，以炮火控製了城南王村機場。與此同時，我第一兵團另一部的第七縱隊第十二旅及警二旅等部於5日晨發起攻擊時，主要是對李家山、鳳閣梁高地發起攻擊，以炮火控製了城北新城機場，13日攻占了風閣梁，全殲守軍。為堵住缺口，閻錫山又將第三十軍北調，在第六十八師等部的配合下，經與我反複爭奪，又與14日將李家山、鳳閣梁高地奪了回去，但敵人也因此付出了沉重的代價。從5日戰役發起至14日，共殲敵12萬人。兵團前委決定乘勝奪占太原東山，為攻城創造有利條件。
太原東山是城東的天然屏障，南北寬15公裏，東西長30公裏，牛駝寨、小窯頭、淖馬、山頭四大要塞就坐落在東山西麓的頂端，是東山防線的主要陣地，其主峰羅山高出太原城500多米，可俯瞰整個市區，整個山區經由孟家井公路與太原城緊密相連。閻錫山深知東山的戰術價值的重要，所以，在東山防線內築有各類碉堡3000餘座。並吹噓其四大要塞“足抵精兵十萬”。攻取東山陣地的重要和困難都是可想而知的。
為迅速奪取東山要塞，徐向前作了如下部署：第七縱隊配屬晉中軍區第一分區一個團及一個支隊，由太原東北林坪一線楔入東山縱深，襲擊並奪占牛駝寨，以炮火控製新城機場，以另一部襲占大北尖，與南側的第十五縱隊相配合，切斷罕山、孟家井守軍的退路並殲滅退逃之敵：第十五縱隊由石咀子向淖馬攻擊，並以一部兵力向大窯頭方向攻擊，與第七縱隊協同，切斷罕山、孟家井守軍退路並堅決殲滅之：第十三縱隊配屬晉中軍區第二分區、第三分區部隊奪占南坪頭、馬莊後向雙塔寺實施攻擊，得手後向城東南角攻擊：晉中軍區部隊除以一部在汾河西積極活動外，主力位於太原以南，對各據點作牽製性攻擊。作戰任務明確以後，各部隊分別進行戰鬥準備。
10月15日，奪占東山戰鬥發起，各路攻擊進展比較順利。戰至17日，第七縱隊主力在柳溝村地下黨的引領下，從秘密小道楔入牛駝寨，殲滅第二七六師一個團，乘勢攻占了牛駝寨的8個陣地，另一部同時攻占了大小北尖等據點，並以炮火再次控製了城北新城機場。第十五縱隊攻占了南坪頭、千家墳及石咀子全部陣地，繼於18日攻占了石兒梁、道巴溝等地，與第七縱隊南插部隊會合，切斷了東山與太原的聯係。守軍除“雪恥奮鬥”4個團先期逃回太原外，“雪恥奮鬥”第一0八團及保安第十四團一部被包圍於孟家井以東之罕山、張家河地區。21日，被困之敵在一0八團團長李佩膺率領下宣布投降。至此，東山大部陣地被我軍占領。與此同時，第十三縱隊進攻馬莊受阻，晉中軍區部隊攻占了太原以南的南塢城、南堰。
閻錫山見東山防線態勢不利，為阻止我軍繼續發展，於18日開始組織部隊反撲，企圖奪回要點牛駝寨。連續10餘次的反攻均被擊退。21日，敵軍三十軍及獨立第十總隊，在近百門大炮的掩護下向牛駝寨再次發起攻擊。第七縱隊一部在給敵軍以重大殺傷後，於當日13時主動放棄牛駝寨。
東山的戰鬥發起後，閻錫山看出我軍的作戰意圖，所以，下決心全力固守四大要點，並以第三十軍及第二七九師為作戰機動部隊，專門擔任機動防禦和反撲任務。另外，還組成了城東一線炮兵群，以利於集中火力支援各要點作戰。為奪取四大要點，掃清攻城的最後也是最大一道障礙，兵團前委於10月23日召開作戰會議，調整了作戰部署，集中兵力於四大要點：第七縱隊配屬重炮30門，直接攻取牛駝寨要點：第八縱隊攻取小窯頭要點；第十五縱隊配屬重炮19門攻取淖馬要點；第十三縱隊配屬重炮13門攻取山頭要點。
10月26日14時，第一兵團在徐向前的指揮下，以27個團的兵力，向四大要點發起了堅決勇猛的攻擊。閻錫山見勢也調整了部署，除守備城西山的3個師、城南城北的2個師之外，其餘部隊也均投入了戰鬥。雙方共動用火炮800餘門，因此，雙方的火力都很猛烈，戰鬥十分殘酷。
淖馬距太原城2公裏多，有淖馬主陣地及1至9號陣地共10餘個陣地編成，其中以主陣地及7號陣地（即炮碉）最為堅固，主陣地修築在山頂，四周有五層劈坡。敵守軍為第三十軍和獨立第八總隊各一部。26日16時，第十五縱隊以第四十三旅第一二八團全部及第一二九團2個營的兵力向淖馬的主陣地發起攻擊，同時，以第四十四旅一部及第一二九團一個營向主陣地的左右兩翼發起攻擊，以分散敵人的火力，掩護主攻部隊實施主要突擊，同時以保障主攻部隊的翼側安全。第四十三旅第一二七團為預備隊。戰鬥發起後，麵對我軍突然勇猛的攻擊，敵守軍在“執法隊”的督戰下，拚命抵抗，經幾番爭奪，因敵前沿的劈坡對我衝擊行動影響較大，加之敵火力猛烈，致使我主攻部隊進攻受阻。時至午夜，我攻擊部隊派出爆破小組，利用夜暗，實施秘密爆破，在敵第一層劈坡上開辟出通路，攻擊分隊衝上了第一層劈坡，但又與守敵相持在第二層和第三層劈坡之間，雙方展開激烈對戰。直至拂曉前，第一二九團警衛班以連續爆破的手段克服了劈坡，突入敵主陣地，後續部隊遂乘勢魚貫而入，向縱深發展進攻。於27日晨全部占領了敵人的主陣地。後又以第一二七團一部堅守已得陣地。淖馬要點的丟失，成了閻錫山的心腹大患，27日、28日連續兩天，閻錫山下死令要把淖馬要點奪回來。於是，以第二七九團和獨立第八總隊大部共4000餘人，在猛烈炮火掩護下，先後組織了19次反撲，均被我第一二七團擊退。敵人非但沒能奪回已失要點，相反，戰至11月1日，我第四十四旅則乘敵堅守力量薄弱之機，又連克敵主陣地以西的6個陣地。到11月10日，我軍一二七團又在炮火掩護下以連續爆破、連續突擊戰法，激戰5小時攻克敵最為堅固的炮碉。隨後，閻錫山雖令守軍務必奪回陣地，競日組織反撲均未得逞。甚至指揮反撲的敵第八總隊司令趙瑞見堅守陣地的大勢已去，不但沒有執行閻錫山的命令，反而率500餘人起義，向我軍投降了。至此，淖馬要點全部被我占領。
牛駝寨位於太原城東北5公裏處。該要點由3個集團陣地構成環形防禦，10個高碉為3個集團陣地的支撐點，10號碉（炮碉）位於陣地的中心和最高點，有11層劈坡，炮碉至北有8號、9號碉，西麵至南麵有1號、2號、3號碉，正北偏東有5號、6號、7號碉，東南有4號指揮碉，此碉因與一個廟相連，又稱為廟碉。堅守牛駝寨之敵為第六十八師和獨立第十總隊主力。10月26日、27日發起攻擊之初，我第七縱隊曾兩度攻擊失利，遂以獨三旅強攻敵5號、6號、7號碉，獨十二旅以連續爆破結合連續突擊戰法，順利攻占了3號、8號、10號碉，逼迫2號碉守軍投降，9號碉守軍在我強大攻勢下棄碉逃跑，接著又攻占了1號碉。11月1日，4號碉守軍在“執法隊”的逼迫下，組織了5次反撲，並使用一毒氣彈，均被我獨十二旅擊退。但此時獨十二旅被5號、6號碉敵軍切斷了退路，側後受到威脅，同時，正麵又受到敵連續猛攻，處境十分危急。為改變獨十二旅多麵受敵的危急形勢，縱隊以警二旅接替獨三旅繼續攻擊敵5號、6號碉。警二旅經過20小時的激烈爭奪，於11月2日攻占了5號、6號碉，殘敵向廟碉龜縮。守軍千餘人麇集廟碉，依托有利地形拚命固守。第七縱隊集中力量，向敵指揮碉發起最後攻擊，連續爆破，連續突擊，於11月13日，全部占領了牛駝寨要點。
山頭位於太原城東南5公裏處，其陣地編成是由主陣地及其以東的大腦山陣地組成，兩陣地間有交通壕相連接。主陣地又有1-5號骨幹陣地組成，周圍有2-6層劈坡，每層劈坡高4-6米，形成了一道碩大的屏障，使進攻一方很難克服。守軍為獨立第九總隊全部、第七十三師1個團、第二七六師和獨立第八總隊各1個營。10月26日，隨著全線發起攻擊，第十三縱隊也同時發起攻擊，首先以第三十八旅擔任第一梯隊向大腦山實施主攻。經反複爭奪，戰至28日，第三十八旅連續攻占了大腦山的3個陣地，繼而又向主陣地發起進攻。由於該旅將主陣地誤判為是次要陣地，因此，在31日的進攻中隻使用了1個團，因兵力不足，致使兩次進攻均未奏效。11月1日，第三十八旅又集中了2個團的兵力，攻擊山頭主陣地，但由於障礙的遲滯，使進攻再次受挫，此後又將兵力逐次增加為3個團。正在這時，兵團前委正在策動國民黨第三十軍軍長黃樵鬆起義，第三十八旅奉命停止進攻。在第一兵團的強大攻勢下，蔣介石深感太原城難守，又將整編第十師的第八十三旅（後改為第八十三師）的4500人於11月初由榆林空運到太原，閻錫山遂用第八十三旅接替了原堅守山頭的部隊。11月9日，黃樵鬆起義失敗後，第三十八旅的3個團對山頭的主陣地發起總攻，第一一二團、第一一四團兩次進攻均未能攻克，傷亡較大。縱隊指揮員遂以第三十七旅接替了第三十八旅繼續進攻。第三十七旅第一一0團出其不意，於當日夜，利用夜暗襲擊了敵3號陣地；11日2時，又經2號、3號陣地之間的暗道突然襲占了2號陣地。1號、4號守敵見陣地失去大部，已無望堅守現有陣地，不得已紛紛棄陣地逃竄。至此，山頭主陣地被攻克。