就在中华大地上的其它地区由激战重新变回原来的零星交火的3月21日清晨，由尾高龟藏指挥的第3军以4个师团重兵对太原发起了进攻。
由于守军兵力不多、质量不高、准备不足而战力甚弱，陈长捷只能将自己亲率的、整编成4个团的72师主力部署在日军来的东面，只整编成3个团的73师部署在北面，比较强的213旅部署在南面，新1旅部署在有汾河掩护、威胁最小的西面警戒，及和73师一部分一起在市区担任预备队，几个还没完成训练的新编团则全部打散编入各部，尤其是缺员甚大的72、73师补充缺额。从炮21、22团挑选出2个营级机动炮群支援各方，其余则和炮30团（炮垒大队）一起部署在各点作为固定火力点。
虽在阴雨中飞行战队无法投入战斗，日军还是利用国军因兵力不足主动放弃的太原外围的山地上设立的观测站完成了多次炮兵射击校正。8时整，除第11师团第11山炮联队因为被安排在西边进攻来不及只部署、只投入部分炮兵外，其余3个师团炮兵联队一起开火，200多门山野榴炮发射的炮弹组成密集的弹雨扫过太原城头、或落入太原城里，引起数不清的爆炸和不断燃烧的火焰。
但跟日军想象的不同，阎老西虽不善战，但经营有方，20年奋斗下来，太原也并非无丝毫还手之力。因日军突袭而来不及撤退的、被阎老西屡屡拿出来吹牛的重炮部队终于发挥威力，陈长捷一声令下，在拥有20多门山炮机动山炮支队的伴随下，20余门部署在城区内拥有永备坚固射击阵地的日式105、120、150榴弹炮突然反击，精确的将炮弹砸进经过长期测算选定、经过试射校正的日军炮兵阵地；强大的日军炮兵虽对国军一定程度的炮兵反击有所准备，但如此准确的射击和规模还是使日军措不及防；特别是由于从娘子关入晋，日军重炮兵还未跟上，最大的大炮只是师团105榴弹炮而已。
于是当国军炮弹以每分钟超过20发的速度命中各个日军炮兵阵地的时候；虽然拥有数倍数量优势，但缺乏精确定位的日军炮兵命中国军炮兵射击位的炮弹不过寥寥几发。且就是这每分钟几发，除个别特别走运的以外，也只在国军炮垒外层爆炸，离摧毁里面的大炮还遥远的很。（历史上阎锡山有比本书中更多的时间逃跑，之所以把这些大炮运出太原，可惜中途被日军追上，为避免被敌缴获，这批重炮连同随行的许多山野炮多扔进沿途河流当中，号称10团大炮、除被傅作义带走一个团外，跑到晋西南只编成5个降低一半编制的小型炮兵团；历史上第18集团军炮兵团就是用后来从河里捞起的一部分山炮组成的。）
1门门山野榴炮在炮兵对射中被国军发射的炮弹击毁，而使日军损失惨重的不对称炮战还在继续，日军将佐的心里都在滴血，不少炮兵佐官甚至不顾军中礼仪，怒目直视下达炮战命令的尾高龟藏；终于，对自己未来命运的可怕预计形成的巨大压力迫使尾高作出了相反的决定：提前投入步兵发起进攻！
虽然炮兵损失很大，但军中体制还没有崩溃，各步兵联队大佐们还是顺从的开始执行这道不合常理的命令；面对平均11米高的砖砌包土、厚达9米的太原城墙，及城墙上用太原洋灰（当时对水泥的称呼）和砖石修筑的密密麻麻火力点，没有大规模火力准备就匆忙投入进攻？无疑是步兵的可怕恶梦。
城头上弹如雨下，子弹、手榴弹、各种炮弹，甚至还有不少触发地雷；连续的爆炸在几分钟内就让攻城的日军遭受了上千的伤亡；日军的各种轻炮兵、包括新装备部队的仿国军中型迫击炮贴近城墙，拼命射击，但除每个大队才装备2门的步兵炮外，其余炮弹都威力不足，使日军试图掀掉城头火力点的愿望在绝大多数情况下落空；而步兵炮的弹道又过于平直，只能轰击国军火力点最厚实的正面。于是，试图登城的日本步兵的惨重伤亡就不可避免了。
不过让日军伤亡惨重的代价是弹药在迅速被消耗当中，并且不少士兵、特别是新兵被担任掩护的日军轻重机枪和神枪手屡屡击中。射击很快因为伤亡大而基本停止，大部分士兵不顾一切的将手榴弹和触发地雷乃至迫击炮弹投下城墙，而造成的战果却因为日军第一批部队的伤亡、后续部队的分散而急剧下降。
这时，日军适时推出一批速射炮、高射炮，以这些直射炮对准城墙上的火力点开始抵近、精确射击。这些小口径火炮对城墙本身固然无多大作用，但对于摧毁城墙上阎锡山构筑的大部分小型火力点还是胜任愉快，甚至最坚固的、用钢筋水泥加强的火力点在被屡屡直接命中后，整体虽不垮塌，但震荡波导致火力点内碎片横飞，守备其中的晋军将士非死即伤。
一阵炮击过后见守军火力迅速减弱，各一线步兵联队大佐们下达了第二波进攻命令，大批士兵在机枪和轻炮掩护下再次迅速接近太原高耸的城墙。然经历多年内战、以善守著称的晋军骨干们，虽在一时间被日军密集的直射炮打闷，但很快就恢复过来，乘日军聚集城墙下开始登城的瞬间，各分队迅速投入敢死队反击，不顾暴露向下投掷地雷和手雷；虽在日军密集的子弹和炮弹打击下，这些敢死队员往往只投出1、2枚炸弹就被击倒炸碎，在就是这每每1、2枚威力巨大的反战车高爆手雷或者触发地雷，正聚集城墙下、攀登太原超过10米高城墙的日军也承受不起；往往一炸就是一个步枪分队（步兵班）全数伤亡。
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