4月20日凌晨，解放军发动总攻，华北野战军三大兵团分别从东、北、南三方围攻太原城。4月22日，解放军占领城外所有据点。4月24日，在太原守军拒绝投降后，解放军攻占太原，全歼守军八万九千余人；山西省代主席梁敦厚、阎慧卿、今村方策等人集体自杀，阎锡山称“太原五百完人”，将领王靖国、孙楚、日本人岩田清一等被解放军俘获。而整个太原战役中国军损失十三万五千余人。历经一年余苦战的太原战役结束后一周，大同守军接受和平改编，新乡于5月5日和平改编，共产党基本控制山西全境。而太原战役结束后次日，中共中央军委致电徐向前，指