然而令馬錚鬱悶的是，還沒等他的援兵出，太原的守軍就垮了。
由於時間緊急，再加上楊愛源所部前幾日就被日軍打的半殘，所以楊愛源就任衛戍司令之後才現他手下只有不到8個團的兵力，滿打滿算也就一個半師，而外面攻城的日軍卻足足有三萬餘人，而且還有大量的技術兵種，例如重炮兵、坦克兵等。
僅僅兩天的時間，太原城內的部隊就傷亡了三分之一，大部分的城防設施遭到破壞，更重要的是，由於太原城收服的時間並不長，所以城內還有很多曾經為日軍辦過事情的漢奸沒有甄別出來，現在卻開始蠢蠢欲動了，真的是內憂外患，形勢極其糟糕。
24日夜，日軍向太原城內空降了一個大隊的傘兵，同時城外數萬大軍也對太原城動總攻，雖然經過一夜的苦戰守軍最終將日軍擊退了，空降進城的日軍也大部被殲，但是依然有一部分在城內潛伏了起來，還有一部分則是依託有利地形與守城部隊激戰。
這樣的情況下，閻老西知道事不可為，守下去也只會徒增傷亡，更可能會把楊愛源這個心腹愛將也搭進去。反正守軍已經盡全力了，實在守不住也不能為太原城陪葬吧，最後閻錫山還是忍痛下達了突圍的命令。很快，太原這座大城被二戰區收復不到一個半月的歷史名城，再度被日軍攻佔。
日軍攻佔太原之後並沒有停止進攻，華北方面軍反而繼續向太原方向增兵，方面軍直屬的第32師團經石門開向陽泉。
同時，第一軍第2o師團由清徐南下，兵鋒直指太谷、平遙，第五師團則是在坦克裝甲車以及飛機大炮的配合下向忻口一線撲來，另外日軍第36師團一部從太原出，一路向西進攻，兵鋒直指呂梁。
在情報部隊以及特戰隊的配合下，日軍行動迅果斷，戰術運用合理，很快各部皆有斬獲。第二十師團連下太谷、祁縣、平遙，兵鋒直指榆社、武鄉。
而北方的部隊也是進展順利，忻口、靜樂、定襄諸城連續淪陷，攻擊勢如破竹，極為強悍。一時間，二戰區風雨飄搖，局勢迅惡化。
二戰區的戰報66續續傳來，這下馬錚也坐不住了，日軍怎麼一下子變得如此厲害。晉綏軍的戰鬥力雖然不強，但是也不是泥巴糊的，將士們守土衛國從不曾膽怯過，因為這裡是他們的山西，他們的家，日軍多次進攻山西都未能將他們消滅就是證據。但是為何這次會敗得如此之快如此之慘，這讓馬錚頗為不解！
其實，駐山西第一軍進展如此順利不但令馬錚十分驚訝，就連華北方面軍司令官多田駿大將也嚇了一跳。儘管從一開始他們就沒有把閻錫山的晉綏軍放在眼裡，這種自信來源於多次交手的結果，不管是多田駿還是一般的軍官，都認為晉綏軍並不是一支頑強的部隊，其戰鬥力雖然談不上多弱小，但是卻和精銳也沒多大關係。
但是日軍也清楚二戰區戰鬥序列裡也不單單隻有晉綏軍，還有國民政府的中央軍，還有從四川調來的川軍以及陝軍。尤其是國民政府的中央軍，還是有點戰鬥力的，如果指揮官指揮得當的話還是可以給大日本皇軍造成致命的威脅的。
況且這次要攻打的可是山西的省會城市，閻錫山的老巢，就算是用屁股想閻老西也會和他們拼命地，因此華北方面軍司令部也做好了打大仗硬仗苦仗的準備，沒想到短短一個星期，第一軍就取得了如此輝煌的戰果。8
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