日军集中了约一个联队的兵力，约4000余人，另有伪军2000余人，共拼凑了近7000余人的兵力，于11月29日夜间12时，突然向我军阵地发起疯狂的炮击，紧接着就是猛烈的集团冲锋。主要方向是太原的南面，妄想给我军造成一种突围后同20师团会合的错觉。
由于我军刚刚站稳脚跟，防御工事尚未完善，突如其来的炮火造成了一定的伤亡。不过，很快日军的炮弹告罄，紧接着我军强大的火箭炮和105榴弹炮，就将所有日军的炮阵地覆盖。失去优势炮火掩护的日军，仍然一波又一波地涌向我军阵地，在我军的密集的火网中死伤无数。日军的表演的确煞有介事，甚至出动了十几辆残存的坦克配合进攻，日军气势汹汹的假象，使我军南线的指挥员，真的误以为日军要突围，去同晋南的第20师团会合。
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。
在日军向南佯攻的同时，其主力乘火车沿同蒲铁路，偷偷地向北逃窜而去。开始，就连张文革司令员也以为日军真要突围，刚想派出装甲部队增援南线，却又突然敏锐地意识到，很可能是日军设置的骗局。因为，即使是日军真的突破了我军防线，突围成功并且和20师团会师，还将要受到我军和国民党军的南北夹击，与其这样还不如死守太原，板垣不会愚蠢到这个地步吧？
鬼子要逃跑！张文革司令员立即果断地命令装甲集群，从东方向太原发起反冲锋。同时电告大同方向的前指王鹏师长，要他们注意太原方向的可能出逃之敌，立即做好阻击准备，勿使一个日寇北逃，一定要把板垣第5师团全歼在山西境内。
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