東線第18軍從石家莊出發，經娘子關西進，首插太原。西線傅作義的第35軍從呂梁山區出發，東渡汾河，進攻太原以西的日軍防線。兩支部隊在太原城下會合，合力攻城。
作戰計劃定在了1942年9月下旬。選擇這個時間點是有講究的——華北的秋收季節剛過，糧食己經入庫，部隊的後勤補給有保障。而且9月下旬華北平原進入秋高氣爽的季節，雨水少，公路路況好，適合大部隊機動和炮兵展開。
蘇杭在會議結束後親自給胡璉發了電報，命令第18軍抽調兩個師參加山西戰役，由胡璉親自指揮。第18軍主力沿正太鐵路西進，經娘子關攻入山西。第18軍炮兵旅全部配屬山西方向，太行山兵工廠加急生產一批穿甲彈和迫擊炮彈，優先供應第18軍。
閻錫山也給傅作義發了電報，命令第35軍主力從呂梁山區出擊，配合東線蘇杭部隊的行動。晉綏軍的裝備雖然不如第18軍精良，但傅作義的部隊在山區作戰經驗豐富，尤其善於利用地形進行迂迴包抄。閻錫山在電報中特意強調，這一仗是晉綏軍與蘇家軍第一次聯合作戰，務必打出晉綏軍的威風來。
1942年9月20日，山西戰役正式打響。
東線，胡璉指揮第18軍兩個師約西萬人從石家莊出發，沿著正太鐵路向西推進。先頭團在娘子關以東約二十公里處遭遇了日軍第36師團的一個大隊的阻擊。
娘子關是山西東部門戶，地勢險要，自古就是兵家必爭之地。關口兩側是陡峭的山壁，中間只有一條狹窄的山谷通道，正太鐵路和公路並行穿過山谷。
日軍在娘子關兩側的山壁上修築了多個火力點，居高臨下封鎖著山谷入口。
第36師團的這個大隊在娘子關駐守了將近兩年，對周邊的地形瞭如指掌，火力點的位置選得極其刁鑽，有的修在山壁的天然巖洞裡，有的藏在灌木叢後面，從山下往上看根本發現不了。
胡璉在戰前親自帶人到娘子關前沿勘察了地形。他帶了偵察營和幾個團長，沿著正太鐵路東側的一處高地用望遠鏡觀察了將近兩個小時。娘子關的山谷入口寬不過三百米，正太鐵路和公路從谷底穿過，兩側的山壁高出谷底約一百多米。
日軍在山壁上的火力點佈置得像蜂窩一樣，正面強攻等於拿人命去填谷底。
胡璉沒有命令部隊正面強攻山谷。
他讓一個團在娘子關正面擺開進攻架勢，大張旗鼓地構築出發陣地，用炮火定期轟擊山谷入口的日軍前沿陣地，把日軍的注意力牢牢吸引在正面。
同時命令另外兩個團從娘子關兩側的山間小路繞到日軍陣地的側後方。
太行山區的山間小路崎嶇難行。士兵們扛著拆散的重機槍和迫擊炮在陡峭的山路上爬了將近半天，很多路段只容一人透過，騾子馱著炮管走在懸崖邊上，腳下就是幾十米深的山澗。
到達預定位置時，很多人的軍裝被汗水浸透了，手掌被岩石磨出了血泡，騾子背上的彈藥箱在石頭上撞得坑坑窪窪。
但他們的辛苦是值得的，這兩個團的迂迴行動完全出乎日軍意料。
日軍第36師團的注意力全部集中在娘子關正面的佯攻部隊上，完全沒有發現側後方己經出現了第18軍的迂迴部隊。
他們以為山間小路“不適合大部隊通行”的判斷是絕對的，就像岡村寧次在華北戰役中低估了太行山通道一樣。
迂迴部隊在日軍側後方發動突襲時，日軍陣地上頓時陷入混亂。第18軍的步兵從山間小路衝出來，先用手榴彈清理了日軍設在側後方的幾個機槍掩體，然後沿著山脊向下衝擊，一個火力點一個火力點地拔。
日軍在山壁上的火力點設計時主要防備正面進攻，射擊孔全部朝南，側面和背後幾乎沒有防護。
第18軍計程車兵從山脊上往下打，日軍火力點裡的機槍手發現子彈從頭頂和背後飛過來的時候，己經來不及調轉槍口了。
正面的佯攻部隊趁勢發起衝擊。娘子關正面的山崖陡峭，進攻部隊是沿著谷底的鐵路和公路向前推進的。
工兵在最前面清理日軍埋設的地雷和鐵絲網，步兵跟在後面用衝鋒槍和手榴彈清理谷底的日軍殘存火力點。
兩個小時之後，正面推進的部隊與迂迴部隊在山谷中段會合，娘子關的日軍防線徹底瓦解。
戰鬥持續了不到一天，娘子關就輕易被第18軍突破。守軍殘部約兩個中隊向太原方向潰退，沿途丟棄了不少裝備和輜重。
第18軍的追擊部隊追出去將近十公里，在娘子關以西約十五公里處又截住了日軍後衛部隊，將這些部隊徹底殲滅。
西線，傅作義的第35軍從呂梁山區出發，東渡汾河，向太原方向推進。
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