为更好地组织太原战役，中央军委决定第一兵团组成前委，以徐向前为书记，周士第为副书记，统一指挥该兵团第八纵队（辖第二十二旅、第二十三旅、第二十四旅）、第十三纵队（辖第三十七旅、第三十八旅、第三十九旅）、第十五纵队（辖独立第十旅、第十二旅，并指挥西北野战军第一纵队独立第七旅、第三纵队独立第三旅和陕甘宁晋绥联防军区警备第二旅）。根据中央军委的战略意图，兵团前委认真研究制定了攻取太原的作战方案，并于9月28日上报中央军委：“战役指导方针，系以围困、瓦解、攻击、逐步削弱，然后一举攻下太原。战役拟于10月18日开始，争取三个月内结束战役。进攻步骤：拟第一步突破敌一线防御阵地，以火力控制南北机场，断敌外援，便于瓦解工作。第二步攻占东南、东北攻城必需之据点。第三步攻城”。因东南地区易于展开兵力，“故主要突击方向拟选于城东南，而以有力一部由东北突击河西、东山北、机场以北地区，以地方一部队一部活动配合攻城方向”。在战术要求上，对攻城妨碍不大之据点，尽量不打，力求连续攻击，分割包围，乘胜扩大战果，结合政治瓦解，歼灭守军。
对于战役的分析，徐向前认为：“从太原的自然地理形势和敌人防御重点来看，进攻城区，首先必须攻破城东的群山防线，坚决占领并控制牛驼寨、小窑头、淖马、山头这四大要点，也就是阎锡山的所谓‘第二道坚固防线’。近代历史上，有两次攻太原的战例：一次是明朝末年，1664年2月，农民起义领袖李自成率领农民起义军打下太原：一次是日寇1939年侵占华北，11月9日太原失陷。这两次，都是由城东依靠东山攻进城垣的。不过，李自成也好，日本鬼子也好，他们都是先攻最东面的高峰，然后采取向西‘平推’的战法组织攻击。我们根据自己的兵力和装备技术，决不能走那条‘老路’。按照军委要求迅速转入攻城作战计划意图，再考虑到严冬即将到来，天寒地冻后，对部队攻击作战会增加困难，时间也不能拖得那样久。我主张由南北两个方向，直接插入东山四大要塞，坚决攻占这条南北8公里长的阵地，把太原与东山高峰从中间一下切断，守备东山高峰的敌人，不投降也把它困死！”
徐向前继续分析到：“阎锡山自己有个比喻，叫做‘太原形势像人样，东山好比太原头，手是南北飞机场，两脚伸在汾河面，太原城内是五脏’，那么，攻下四大要塞一线阵地，就等于割断了他的咽喉，整个东山就会被我控制，既可以奠定太原的基地，又可以打通后方人民群众支援我军作战的道路，‘土皇帝’就变成‘瓮中鳖’了”。
“东山看着险，只要打得妙，一定能打下。柳沟村地下党同志给我们提供的一条路线，是敌人东山守备区与北区的分界线，两区都不大管，我们从这里插进去，一定能攻上东山，占领牛驼寨。阎锡山扬言共产党不敢打牛驼寨，我们偏偏要攻打牛驼寨。目前，我军刚刚在城南、城北发起了猛攻，敌人正集中力量在两处顽抗，我们要乘敌不备，采取突然袭击，坚决夺取牛驼寨，进而一举拿下四大要点”。
根据兵团的作战意图，部队即开始了紧张的战役准备。而阎锡山为破坏我军的攻城准备及拖延我攻城时间，并寻机抢粮，从10月1日开始，以7个师分三路向南进犯。其中，左路以第七十三师、第二七五师、第二八三师和独立第十总队沿同蒲路南下，10月3日进占武宿机场、马连营以东以南地区；中路为暂第四十四师、第二八〇师及第七十二师一个团，10月3日进至小店、南黑窑地区：右路以第六十九师在汾河以西策应，10月3日亦进至晋源县之庞家寨；其第六十六师进至小店以北地区，担任预备队。
接此报告，徐向前考虑到：出城之敌已脱离阵地，失去依托，处于运动状态，其翼侧暴露，是难得的歼敌良机，我抓住敌人认为我没有完成战役准备不会对其攻击的可乘时机发起攻击，可以收到出敌不意之效。为此，徐向前决定将计就计，果断改变原定10月18日发起战役的决心，迅速调整部署，利用敌人主动出城，脱离坚固工事，失去依托和防护的难得战机，首先歼灭出犯之敌，并乘势夺取太原外围阵地，为尔后的攻城作战创造有利态势和条件。为此，一面下达作战命令，一面将作战部署于10月3日20时上报中央军委：“我决心全歼该敌，部署如下：八纵、十三纵歼灭四四师、四五师：十三纵先以一个旅插入小店东北切断敌归路；七纵以一个旅自汾河西强渡，切断小店敌退路；八纵、十三纵得手后，再歼七三师、四十师：十五纵留一个旅监视东山之敌，主力歼灭四九师，得手后，插入武宿机场以北，切断敌退路，配合主力歼灭武宿附近之敌：七纵主力歼灭六九师得手后，相机渡河向东、向北发展”，第七纵队独立第十二旅及警二旅于城北袭占阳曲镇以东之前后李家山，以炮火控制北机场。“战役定十月五日五时发起”。中央军委和毛泽东当即复电肯定了徐向前这个善于抓住战机并及时果断利用战机的新的作战决心。10月6日1时，中央军委复电徐向前：“你们原定酉巧开始太原战役，现已提前十三天。因敌被迫向外扩张，给我以良好歼敌机会，如果敌人战力不强，你们又指挥得当，乘机进击，可能于短时间内全部肃清城外之敌，并可能缩短攻城时间，不可停留多久，即可乘势攻城，提早解放太原”。
根据兵团前委的作战部署，各纵队边迅速完成作战准备，边进至指定作战位置。
10月5日5时，太原战役发起。第七纵队东渡汾河，直插小店以北地区：第十五纵队由东向西直插武宿机场以北：第八纵队、第十三纵队迅即将驻小店之敌第四十四师及第七十二师的1个团、驻南黑窑地区之敌第二八〇师及驻南畔之敌第二八三师的2个营全部包围。战至6日晨即全歼该部。部队遂即按照预定计划乘胜扩张战果。6日20时，中央军委又致电徐向前、周士第、陈漫远：“你们拟乘胜向太原城周尽量扩大战果方针很对。向前三日逐称，连续一直打下去，在最快期间全歼敌人直至夺取城垣是上策，先打再围带打是中策，旷日持久是下策。此项意见和我们今晨电意见相同。你们现有良好机会可以全歼南面及东面之敌，得手后敌必震动。望你们乘胜扩张，逐一全歼外围之敌，占领一切机场。然后看形势，如我军伤亡甚大，城内敌人尚多，城防尚固，则应略为休息补充，然后攻城。如我军伤亡不大，城内敌人不多，城防不甚坚固，则应乘胜攻城”。
小店围歼战后，第十三纵队与第十五纵队配合，于6日晚准备继续围歼位于武宿地区之敌第七十三师、第二七九师、第二八三师等部。但由于未能确实断其退路，致使该敌得以乘铁甲列车逃脱，仅歼灭了敌第七十三师一个团及第二八三师一部。为挽回出击不利态势，确保达成作战目的，阎锡山从7日开始以第三十军向南反扑，被早有准备的我第七纵队奋力抵抗，挫败其反扑，进至汾河以西的敌第六十九师见势不妙，也不战而逃。兵团前委及徐向前遵循中央军委关于“乘胜向太原城周尽量扩大战果”的要求，当即下令乘胜追歼，扩大战果。战至13日，先后攻占了武宿机场，并扫清了大马村、北张及城东南石嘴子等据点，以炮火控制了城南王村机场。与此同时，我第一兵团另一部的第七纵队第十二旅及警二旅等部于5日晨发起攻击时，主要是对李家山、凤阁梁高地发起攻击，以炮火控制了城北新城机场，13日攻占了风阁梁，全歼守军。为堵住缺口，阎锡山又将第三十军北调，在第六十八师等部的配合下，经与我反复争夺，又与14日将李家山、凤阁梁高地夺了回去，但敌人也因此付出了沉重的代价。从5日战役发起至14日，共歼敌12万人。兵团前委决定乘胜夺占太原东山，为攻城创造有利条件。
太原东山是城东的天然屏障，南北宽15公里，东西长30公里，牛驼寨、小窑头、淖马、山头四大要塞就坐落在东山西麓的顶端，是东山防线的主要阵地，其主峰罗山高出太原城500多米，可俯瞰整个市区，整个山区经由孟家井公路与太原城紧密相连。阎锡山深知东山的战术价值的重要，所以，在东山防线内筑有各类碉堡3000余座。并吹嘘其四大要塞“足抵精兵十万”。攻取东山阵地的重要和困难都是可想而知的。
为迅速夺取东山要塞，徐向前作了如下部署：第七纵队配属晋中军区第一分区一个团及一个支队，由太原东北林坪一线楔入东山纵深，袭击并夺占牛驼寨，以炮火控制新城机场，以另一部袭占大北尖，与南侧的第十五纵队相配合，切断罕山、孟家井守军的退路并歼灭退逃之敌：第十五纵队由石咀子向淖马攻击，并以一部兵力向大窑头方向攻击，与第七纵队协同，切断罕山、孟家井守军退路并坚决歼灭之：第十三纵队配属晋中军区第二分区、第三分区部队夺占南坪头、马庄后向双塔寺实施攻击，得手后向城东南角攻击：晋中军区部队除以一部在汾河西积极活动外，主力位于太原以南，对各据点作牵制性攻击。作战任务明确以后，各部队分别进行战斗准备。
10月15日，夺占东山战斗发起，各路攻击进展比较顺利。战至17日，第七纵队主力在柳沟村地下党的引领下，从秘密小道楔入牛驼寨，歼灭第二七六师一个团，乘势攻占了牛驼寨的8个阵地，另一部同时攻占了大小北尖等据点，并以炮火再次控制了城北新城机场。第十五纵队攻占了南坪头、千家坟及石咀子全部阵地，继于18日攻占了石儿梁、道巴沟等地，与第七纵队南插部队会合，切断了东山与太原的联系。守军除“雪耻奋斗”4个团先期逃回太原外，“雪耻奋斗”第一〇八团及保安第十四团一部被包围于孟家井以东之罕山、张家河地区。21日，被困之敌在一〇八团团长李佩膺率领下宣布投降。至此，东山大部阵地被我军占领。与此同时，第十三纵队进攻马庄受阻，晋中军区部队攻占了太原以南的南坞城、南堰。
阎锡山见东山防线态势不利，为阻止我军继续发展，于18日开始组织部队反扑，企图夺回要点牛驼寨。连续10余次的反攻均被击退。21日，敌军三十军及独立第十总队，在近百门大炮的掩护下向牛驼寨再次发起攻击。第七纵队一部在给敌军以重大杀伤后，于当日13时主动放弃牛驼寨。
东山的战斗发起后，阎锡山看出我军的作战意图，所以，下决心全力固守四大要点，并以第三十军及第二七九师为作战机动部队，专门担任机动防御和反扑任务。另外，还组成了城东一线炮兵群，以利于集中火力支援各要点作战。为夺取四大要点，扫清攻城的最后也是最大一道障碍，兵团前委于10月23日召开作战会议，调整了作战部署，集中兵力于四大要点：第七纵队配属重炮30门，直接攻取牛驼寨要点：第八纵队攻取小窑头要点；第十五纵队配属重炮19门攻取淖马要点；第十三纵队配属重炮13门攻取山头要点。
10月26日14时，第一兵团在徐向前的指挥下，以27个团的兵力，向四大要点发起了坚决勇猛的攻击。阎锡山见势也调整了部署，除守备城西山的3个师、城南城北的2个师之外，其余部队也均投入了战斗。双方共动用火炮800余门，因此，双方的火力都很猛烈，战斗十分残酷。
