1949年4月22日，全部攻占外围据点，歼灭守军12个师，并控制了双塔寺、卧虎山制高点，直逼太原市区。 为减轻对太原市区的破坏和市民生命财产的损失，太原前线司令部于22日向守军发出劝降通牒，孙楚、王靖国等人仍拒不投降。
4月24日凌晨，攻城部队用1300余门火炮进行火力准备后，对城垣发起总攻。
第20兵团首先由小北门东侧突破城垣，第18、第19兵团也相继攻入城内，与守军展开巷战。入城部队以小型爆破手段，迅速开辟前进道路，向守军指挥中心勇猛进攻。
9时许，攻入太原“绥靖”公署，俘孙楚、王靖国和日本顾问今村、岩田等人 。至10时，太原守军被全部歼灭。
太原战役，人民解放军伤亡4.5万人，歼灭国民党军1个"绥靖"公署、2个兵团部、6个军部、20个师，共毙伤俘13.5万余人。
太原解放后，大同国民党守军万余人见大势已去，也于4月29日接受改编，大同和平解放。
至此，山西全省解放，结束了阎锡山对山西省人民长达38年的统治。太原战役的胜利，拔除了国民党在华北的最后堡垒，标志着山西全省解放，标志着华北地区的彻底解放，推动了全中国解放战争的进程。