十一月二十一日上午十时三十分左右，从西安和洛阳两个机场起飞的苏联航空队的二十八架轰炸机、四十八架战斗机，几乎是同时攻击了设在河北正定、山西原平的两个日军主要机场以及太原城外的日军阵地，一举击毁停放在机场的日军飞机七十余架，并炸死炸死太原城外的千余名日军、摧毁大小火炮六十余门。
轰炸刚过，第十二集团军就以五十余辆坦克和装甲车、以及三百多辆汽车组成的装甲机械化突击集团，分四路以迅猛的速度向聚集在太原城北和东南的日军集群的后翼展开了包抄，而更多的步兵则在上百门火炮的掩护下，从几个侧翼向日军发起了进攻。经过几个小时的激战，到下午三点钟，第十二集团军消灭或击溃了日军小股部队的多处阻截，迂回的装甲机械化集群最长突击距离三十多公里、正面步兵和配合的少量装甲部队推进最少十二公里，终于将日军两万余人攻城集团的后路全部切断，并成功的将其从三面分割包围。
围攻太原的日军在受到空袭时就意识到了中国军队要开始反击，但之前以几乎是一比十的兵力取得了一边倒的胜利，使得他们对中国军队的反击不屑一顾，加之受到了城内守军的牵制，竟没有再派出兵力去加强侧翼保护，等他们感觉到了这次中国军队的反