商店（大半已逃亡无人）都被打开了门窗， 满街都是酒瓶子， 罐头筒子。日军突入城内的消息一经传播后，未与敌军接火的部队也军心惶惶，大有不可终日之势。为此傅作义一面亲巡各城，鼓励士气，以迎击日军的再次进攻，一面急电阎锡山和兰州，报告战况。
守城兵力本来就严重不足，经两日战斗伤亡减员，有战斗力者仅剩2000余人，太原沦陷就在眼前了。
18日凌晨，傅作义召集戒严司令曾延毅到防空洞谈话。曾由傅的防空洞出来，没有再回戒严司令部（在总部东院），就直向总部大门走去，同时派卫士去叫戒严司令部参谋长郄莘田快来，等到郄由司令部出来，曾已走出总部大门以外，郄紧紧赶上，曾见了郄，也始终一句话没，便直奔他的马号。这时马已备好，曾立即上马，向大南门驰去。戒严司令部的参谋副官及勤杂人等，也都闻风赶来。跑到大南门跟前，发现早经封闭的城门，上囊砂袋，层层堆积，原封未动。曾命令跟来的卫士随从们，搬移沙袋。守城官兵因知道他是第5集团军副司令又是戒严司令，当然不敢拦阻。没想到封城时只怕封不牢固，到现在才发现土囊砂垒积科太多，移动不便了。结果卫士们费了老大力气，城门仅仅打开了一个缝。好在两扇城门稍稍向后移动了一些，门头上甩出一个较大的三角空隙。曾延毅心急智出，舍掉了坐骑，爬上沙袋，让力气大的几个卫士把他举上门顶，钻出城去。
出城以后，狼狈地向南赶路，恰巧遇上一名收重伤的连长张霁浦，骑着一匹瘦弱的劣马。曾延毅向张连长把马买了过来，骑上这匹劣马往正南方向而去。他的参谋长郄莘田在曾后面跟来，看到城门上不容易出去，便拨转马头，找到旱西门旁早已挖好的交通路，马也没下就走出城去。时间不久，他就和曾会见，接着就一同过了汾河，绕过太原县、清源县，经由交城、汾阳，跑到隰县去了。
曾延毅出城打的是第5集团军副司令的旗号，他这一折腾，看见他的人都：“副（与傅同音）司令出城走了”。这一消息很快就传遍了靠近南城的部队。戒严副司令马秉仁也随即出逃命。于是以讹传讹，军心动摇，顿时大乱。有些部队，官不管兵，兵不顾官，撂下武器，越城逃走的颇不乏人。9时以后，除过北城东城和敌人对峙胶着的部队无暇他顾外，其他城上的守军逐渐稀少，有些地段已看不到部队的踪影了。
18日晨，日军按原计划向太原城发动总攻。其步炮主力全集城下，敌机13架轮番轰炸，北城楼被焚，东、北两城到处起火，火焰弥漫全城。9时，城东北角及西北角，均被敌密集炮火轰陷，不久东、北两面城墙亦相继被轰开缺口10余处，城墙各掩蔽部及弹药洞多被轰塌。敌步兵在其飞机、大炮掩护下，向城内猛冲，在城墙埋伏的炮垒队亦被敌击散。守军奋勇截击，一面拼力阻击突入城之敌，一面封锁城墙各口，敌我伤亡惨重。
激战至午，防守东北城角的一个营伤亡过半。敌人从该阵地前面的城墙缺口蜂拥入城。董其武即率预备队驰援，在东门、北门之间的大教场、坝陵桥一带，与敌展开激烈的巷战，双方形成对峙状态。其他守军官兵也拼命抵抗，战至16时，始将城墙各口封锁，并经激烈巷战将入城之敌300余歼灭大半。
黄昏时，日军一部空降于城中大教场，扩张战果，19时攻至总司令部。随即敌又从城东北角突破口向城内增加大量步兵，并利用夜间隐蔽，夹杂混战，处处突袭，我官兵伤亡甚多，而且西、南两城部队及预备队多已逃亡，除总司令部军官佐及特务连勉力抵抗外，已别无兵力可资应援。至21时，日军愈进愈多。傅作义见局势已无法挽回，乃下令撤退。各部纷纷从大南门、新南门撤出城外。华北重镇——太原，继平津、保大、大同、济南、徐州之后于5月18日夜宣告失陷了。
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