年5月，重病几年的徐向前基本痊愈，以华北军区副司令员的身份担任华北野战军第1兵团司令员兼政委，副司令员兼副政委是周士第。
5月中旬，第1兵团攻克临汾，阎锡山慌了，急忙布防保卫晋中，固守太原。可仅仅1个多月过后，徐向前攻克晋中，歼灭阎军10万余人。接着，徐向前兵临太原城下！
解放军攻打太原的部队，除了第1兵团的3个纵队以外，还有华北军区炮兵第1旅、西北野战军第7纵队、晋中军区3个独立旅等部队，总兵力达到11.5万余人。
10月1日起，阎锡山为筹粮和抓丁，以及破坏解放军的攻城准备，派出7个师，分3路沿汾河以东，同蒲路以西，向南进击。徐向前抓住阎军脱离坚固工事，有利于我军野外作战的机会，于5日拂晓，提前打响了太原战役的外围战。
解放军连续战斗11个昼夜，至16日，歼敌2个师又3个团，占领了武宿机场，炮火控制了北机场，同时攻下了瞰制太原东南的最高点石嘴子、结岭石、要凹一线阵地，打开了敌东山碉堡防线的南侧门户。
阎锡山偷鸡不成反蚀一把米，再不敢轻举妄动。他最担心的是空运中断，否则老蒋和美国人的物资都来不了。在严令夺回北机场的同时，阎锡山暗地派人到汾河西段去赶修几处临时机场和空投场。但他做梦也没想到，东山第二道坚固的防线内，解放军突然“从天而降”了。
7日深夜，7纵7旅一举攻克牛驼寨大部分碉堡。18、19两日，阎锡山以人以上兵力，在炮火支援下，反攻牛驼寨10余次；21日，又以3个精锐团反扑牛驼寨。7纵7旅19团终因伤亡过大，弃守牛驼寨，转至以东阵地。
10月26日，解放军按照预定的作战部署，开始攻击牛驼寨、小窑头、淖马、山头四大要塞。四大要塞距城仅3至5公里，地势高至多米，是太原东面的屏障，阎锡山在日本人构筑的防御工事基础上，不断增修了极为复杂，易守难攻的要塞工事。
四大要塞争夺战空前激烈。阎锡山动用了8个师3个总队及保安团，徐向前先后投入27个半团参战。双方参战的82迫击炮以上火炮达余门。经计算，每消灭1个敌人，需要耗费1发山炮和各种重炮炮弹、4发迫击炮弹、8枚手榴弹、发子弹、2斤炸药。
激战半个月，直到11月12日，解放军才将四大要塞全部占领。
在指挥部队夺取四大要塞的同时，徐向前又发动政治攻势，分化瓦解敌人。30军黄樵松酝酿起义，事泄被捕。起义虽没成功，却极大地影响了阎军的士气。至11月底，起义或投诚的阎军达到多人。
太原前线连日苦战之际，11月11日，徐向前因操劳过度再一次病倒，不得不转移到离前线不远的峪壁村内静养。
此时，辽沈战役已结束，淮海战役正处于第一阶段。中央军委考虑到如果过早攻克太原，可能会使傅作义感到孤立而自动放弃华北重要城市而逃跑，增加以后作战的困难。11月16日，军委指示太原前线：再打一二个星期，攻占外围要点若干，控制机场后，停止攻击，进行政治攻势。部队固守已占阵地，就地休整，等到四野部队入关攻击平津时，再攻太原。
年3月，华北第1兵团改为第18兵团。3月中旬，第19兵团、第20兵团及第四野战军、华北军区各1个炮兵师，由平津开往太原前线。这样，攻城兵力达到32万余人，占绝对优势。
3月17日，太原前线司令部成立，徐向前任司令员兼政委，同时兼任战役总前委书记。28日，人民解放军副总司令彭德怀途经太原前线，也参与了指挥总攻太原的作战，但他甘当幕后参谋，一切指挥仍以徐向前的名义。
此时的太原守敌在18兵团的军事攻击和政治瓦解下，极度混乱恐慌，粮食弹药都消耗殆尽，敌机的空投也只是杯水车薪。守军士兵生活艰难，因营养不良，患夜盲症的很多，士气已经非常涣散。围城之下，太原陈内百姓被敲诈勒索，饿殍载道，苦不堪言。
尽管如此，阎锡山手下的几名干将孙楚、王靖国、梁化之等人仍然负隅顽抗，拒绝解放军的劝降。在和平解决已无可能的情况下，中央军委授权徐向前自行决定攻城时机。
4月20日凌晨，解放军开始发起了对太原的总攻。19兵团由南，20兵团由北，18兵团由东，数十支攻击部队以排山倒海之势向太原之敌扑去，很快就突破了敌前沿阵地，接着长驱直入，猛烈向纵深发展，至22日晚，全部扫清太原城墙以外的敌人。
24日晨5时半，1多门火炮从四面八方对太原城展开了猛烈轰击，一时火光冲天，浓烟滚滚，城墙东倒西坍，敌尸满天飞舞，守军乱作一团。趁此时机，3个兵团和1个炮兵师及地方部队勇猛突击，冲入城内，与敌人展开逐街逐巷的肉搏争夺战。在解放军的强有力的攻势下，阎军士气崩溃，抵抗土崩瓦解，仅用了9个小时，太原城全部攻克，山西“阎王”的反动统治宣告结束。
太原战役是解放战争中最激烈、历时最长、付出代价最大的城市攻坚战。解放军历时6个多月，歼敌13.8万余人，生擒阎锡山手下的孙楚、王靖国和戴炳南等干将。在这场惨烈的战役中，解放军也付出了巨大的代价，两个阶段的攻城总共有4.5万人伤亡。
这场战役规模庞大，参战的部队来自解放军的三大主力，除华北军区的18、19、20兵团外，还有西北野战军（一野）的第7纵队，第四野战军的一个炮兵师。参战的名将众多，又来成为开国元帅的有2人：彭德怀、徐向前；成为开国大将的1人：19兵团政委罗瑞卿；成为开国上将的6人：18兵团副司令员周士第、19兵团司令员杨得志、20兵团司令员杨成武、19兵团政治部主任李志民、18兵团60军军长王新亭、第一野战军第7军军长彭绍辉。
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