我军迅速组织起防御，密集的火力给敌人以巨大的杀伤，大批日军像秋后的庄稼一样，成片的被无数挺轻重机枪，和各种口径的迫击炮、掷弹筒、枪榴弹扫倒。日军不计伤亡的自杀性冲锋，一度突破我军前沿阵地，同我军展开白刃格斗，但是，后续部队被我军密集而猛烈的炮火封锁，不能及时增援扩大战果，很快就被我军赶出阵地，丢下大批的尸体狼狈退去。那十几辆坦克，早就在大口径迫击炮和火箭筒的打击下，成了十几堆燃烧的废铁。几个回合下来，日军的冲击的后劲渐显不足，再也无力进到我军前沿50米处，完全演变成一场实力悬殊的屠杀。
我军攻进太原城里，发现日军主力已经逃跑，基本没有像样的抵抗，立即向指挥部张文革司令员报告。我军士兵跃出装甲运兵车追击残敌，占领仓库、工厂、车站，后续部队源源不断地涌进太原。张文革司令员立即向基地刘剑锋司令员报告，趁天还没有亮，基地派出5架武装直升机攻击逃跑的日军，以减轻北面部队的压力。
“空袭？胡说！支那军哪来的飞机”板垣的话没说完，就看到车厢内的所有物品都向一边滑去，自己的身体也不由自主地扑向车厢的壁板，霎时大脑一片空白失去了知觉。
基地派出的5架武装直升机发射火箭击毁了机车，又将所有弹药倾泻向翻下路基的列车，在大量杀伤敌人有生力量后迅速返回。日军损失惨重，人员伤亡接近半数，黑暗中，剩余的日军在军官们的组织下，放弃救治伤员，徒步沿铁路线向北逃去。
剩余北逃的万余名日军，一夜惊魂，又累又饿，到了上田附近想休息一下，没想到一阵铺天盖地的炮火砸了下来，鬼子死伤累累。但是，求生的本能战胜了疲劳和饥饿，意识到处境险恶的日军，开始了最后的疯狂。由于大型火炮基本全部丢失，只好集中小型炮火，发起更大规模的集团冲锋，在我军防线上的一个点上，最多时竟然2000余人，冒着我军密集的炮火同时冲锋。
然而，这一切都不会再发生了，历史轨迹发生了严重偏转。山西战役共歼灭日军主力主要有，第5师团，第20师团，第109师团一部，东条英机为司令官的关东军察哈尔派遣兵团，日军混成第15旅团等约十余万人。活捉第5师团长板垣征四郎；击毙第20师团长川岸文三郎，其他各级军官无数。俘虏日军1293人，伪军14482人。我军亡5639人，伤12247人。此役，我军获得决定性的胜利，不仅获得一个战略复兴基地，对整个中国的抗战和政局产生了巨大的影响，历史，将沿着偏转的轨迹继续向前发展。
