济南被攻克之后，吓坏了被围困于孤城太原的阎锡山，为了得到粮草和补充兵员，他下令太原守军抢粮抓丁。10月2日以7个师的兵力沿汾河以东、同蒲铁路(大同-风陵渡)以西向南出击。
10月3日，暂编第44、第45师和第72师一部进至小店镇、西南畔村等地;暂编第40、第49、第73师等部进至秋村、西温庄等地;第66、第69师集结红寺地区。徐向前决心抓住守军脱离防御阵地的有利战机，先在野战中歼其有生力量。
10月5日拂晓，第7纵队主力由清原东渡汾河，直插小店镇以北;第15纵队由太谷、榆次向西出击，直插武宿机场以北，与第7纵队成东西夹击之势，切断已进至小店镇和武宿机场国民党军通向太原的退路，并准备阻击太原守军南援;第8纵队、第13纵队迅速包围已进占小店镇、南黑窑等地的国民党军。
10月6日凌晨，歼灭暂编第44、第45师全部和第72师、暂编第49师各一部。随后各纵队继续扩张战果，攻占武宿机场及多处据点，并抵近东山堡垒地域南侧。
第7纵队一部为策应小店地区作战，在城北凤阁梁一带歼第68师1个多团和暂编第39师1个营，并用炮火控制城北新城机场。
各部队经11天激战，歼国民党军2个师、3个团又7个营，共毙伤俘1.2万余人，迫近并部分突破太原南北守军第一道防线。
10月16日，第7、第13、第15纵队和第8纵队一部在晋中军区部队配合下，分由南北两面迅猛地向东山要塞守军发起攻击。
10月19日，相继攻占黑驼、石人梁、大窑头、大小北尖、榆林坪、孟家井和牛驼寨等筑垒阵地，歼守军一部，迫使罕山守军1个团投降，占领东山主峰罕山及大部阵地。阎锡山集中第30军和留用的日本军人为骨干组成的暂编第10总队，在炮火支援下向牛驼寨实施多次猛烈反扑，第7纵队等部顽强抗击，激战3日，予敌以重大杀伤后撤出牛驼寨。
10月26日，第1兵团司令部为摧毁守军东山防御阵地，夺取攻城依托，再次调整部署，分别以第7、第8、第15、第13纵队夺取牛驼寨、小窑头、淖马、山头等东山四大要点。
守军在空军配合下，凭借险要地势固守顽抗，并施放毒气弹、***。第1兵团等部勇猛突击，多次打退守军反扑，经19昼夜反复激烈争夺。11月13日，攻占东山四大要点，歼灭守军2.2万余人，并争取了守军第8总队起义。
与此同时，晋中军区部队攻占城北青龙镇、城南许坛以及汾河西岸的南北堰等据点，紧缩了对太原城的包围。