與此同時，徐達光的16兵團在西線也發起了猛攻。
他的部隊用炮火摧毀了城西的多處碉堡，步兵逐村推進，將守軍的西線防線徹底瓦解。
徐達光在指揮所裡對參謀長說：“18兵團在東邊啃硬骨頭，咱們在西邊也不能閒著，爭取打到太原城下，跟國天明會師。”
10月20日拂曉，總攻開始。
國天明命令炮兵團集中二百餘門火炮，對著太原城牆連續轟擊西十分鐘。
城牆上磚石飛濺，塵土遮天蔽日，城牆炸開數道缺口。
周鳳山親自帶隊衝鋒，17縱的戰士們端著刺刀從缺口湧入，與守軍展開巷戰。
與此同時，徐達光的16兵團從西面突入城區。
他的戰士們扛著雲梯衝過護城河，架到城牆上奮勇攀登。
敵人的機槍從城垛裡掃出來，好幾個戰士從梯子上摔下來。
16兵團1縱48師142團3營營長劉大坤帶著突擊隊硬衝，卻被一顆子彈打穿右臂，鮮血順著袖子往下淌。
他撕下一塊布纏住傷口，繼續指揮戰鬥，對身邊的戰士喊：“往上爬！爬到城牆上就贏了！”
8縱王庭行部從西南方向也攻入了城區。
三路大軍同時猛攻，太原守軍顧此失彼，防線開始崩潰。
城牆失守後，孫楚退入城核心心工事繼續抵抗。
太原巷戰激烈異常，每一條街道、每一座房屋都在反覆爭奪。
我軍採用穿插分割戰術，把守軍切成數塊，使其首尾不能相顧。
8縱在西面攻入城內，切斷守軍退路，18兵團從東、南兩面向核心工事壓縮，16兵團從西南方向向城內縱深推進，三面火力交叉，守軍被壓縮在城中心幾個據點裡，動彈不得。
10月21日午夜，16兵團率先攻佔了太原城西的關帝廟，繳獲了守軍一個團指揮部的電臺。
徐達光命令部隊乘勝追擊，不給敵人喘息機會。
打到10月21日下午，城內各處守軍被分割包圍。
黃昏時分，我軍突入孫楚指揮部樓下。
孫楚在地下室被活捉，王靖國見大勢己去，隨即率殘部投降。
10月22日清晨，太原全城解放，紅旗插上了太原城頭。
從10月5日外圍戰鬥到22日城破，歷時17天。
在徐達光16兵團的配合下，國天明的18兵團和王庭行的8縱全殲太原守軍六萬餘人，繳獲大量武器彈藥，山西全境回到人民手中。
國天明和徐達光在太原城內會面。
國天明緊緊握住徐達光的手說：“徐司令員，你們16兵團遠道而來辛苦了，要是沒有你們在西線堵住退路，孫楚不可能這麼快就範。”
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