11月8日8时。日军发动总攻击。日军在飞机大炮和坦克配合下，从东、北两面猛攻城垣，大北门城楼被燃烧弹击中，城楼火焰弥漫，如同一支冲天的火炬。密集炮火轰击下，一段城墙被炸塌。11时许，日军三个营再次从城东北角缺口涌入城内。他们与小校场的日军会合后，在城内扩张。敌我展开巷战。与此同时，一部日军向河西迂回，占领了汾河桥。
日军继续向北、东两线全面进攻，守军各部经连日激战，伤亡惨重。东北城角突破口，守军已无法控制。日军从这里又突入约两个营。守军既无力量将城内日军消灭，又无力量将其驱逐出城去。
12时后，日军以坦克掩护汽车，不断由汾河以西公路上向南运输部队。日军企图以攻城部队牵制守军不能撤退，一俟包围部署完成后，对守军来个全部歼灭。下午，日军第5师团长板垣征四郎，命令师团预备队投入战斗。日军扩张到精营、埧陵桥、粮食局及绥署后门外的东缉虎营，对中国守城部队形成包围之势。
这时总指挥部与各部队失去正常联系。傅作义心中焦急，坐立不安，眼里布满血丝，嗓子嘶哑，面色苍白。秘书长曾厚载及总部很多人都已悄悄逃走。傅作义身边只剩下参谋长陈炳谦、防守指挥官袁庆曾、副官张景涛、卫士郝德振、参谋处长苏开元等少数人员。
下午5时许，幕僚们怂恿陈炳谦和袁庆曾，劝说傅作义赶快撤走，不然就来不及了。陈、袁二人婉转地对傅作义说：“对敌人一定要打，对窜入的日军一定要消灭，但需要筹划一种有利的打法。现在局势已恶化到对我军极端不利，我们最好先突出敌人包围圈，转进到西三里，反转来再打击敌人、消灭敌人，这是当前万全之策。”
傅作义满脸痛苦复杂的表情。他沉思良久，喃喃地说：“我反复想过了，抗战是长期的，你俩也说退，好，今晚就撤走。”
在场者终于舒了一口气。傅作义泪水盈眶。苏开元赶快将早已预备好的退却命令，让参谋长陈炳谦签了字，立即分头发给各守城部队。
11月8日21时，傅作义下令撤退。守城部队由大南门突围，经汾河桥冲至汾河西岸，向古交镇方向撤退，当日夜，太原城沦陷。
11月9日晨，傅作义停留在太原西山一个小村里，总部要员陆续赶来。第211旅旅长孙兰峰带旅特务连，第73师代师长王思田带一个特务排也赶到这里。傅即令分头收容部队。
11月11日，在山西古交镇，傅作义面对刚集结起来的一千余名从太原突围的官兵，用悲凉的语调说：“英雄不怕死，怕死非英雄，不怕死的跟着我傅作义，来继续抗战！”
此后，转移至石楼县休整。傅作义电请上级给予处分。阎锡山一度准备追究傅作义失守太原之责，由于卫立煌“相机撤退”手令及蒋介石反对，而最终作罢。