日军集中了约一个联队的兵力，约4000余人，另有伪军2000余人，共拼凑了近7000余人的兵力，于11月29日夜间12时，突然向我军阵地发起疯狂的炮击，紧接着就是猛烈的集团冲锋。主要方向是太原的南面，妄想给我军造成一种突围后同20师团会合的错觉。由于我军刚刚站稳脚跟，防御工事尚未完善，突如其来的炮火造成了一定的伤亡。不过，很快日军的炮弹告罄，紧接着我军强大的火箭炮和105榴弹炮，就将所有日军的炮阵地覆盖。失去优势炮火掩护的日军，仍然一波又一波地涌向我军阵地。日军的表演的确煞有介事，甚至出动了十几辆残存的坦克配合进攻，日军气势汹汹的假象，使我军南线的指挥员误以为日军真的要突围，去同第20师团会合。
我军迅速组织起防御，密集的火力给敌人以巨大的杀伤，大批日军像秋后的庄稼一样，成片的被无数挺轻重机枪，和各种口径的迫击炮、掷弹筒、枪榴弹扫倒。日军不计伤亡的自杀性冲锋，一度突破我军前沿阵地，同我军展开白刃格斗，但是，后续部队被我军密集而猛烈的炮火封锁，不能及时增援扩大战果，很快就被我军赶出阵地，丢下大批的尸体狼狈退去。那十几辆坦克，早就在大口径迫击炮和火箭筒的打击下，成了十几堆燃烧的废铁。几个回合下来，日军的冲击的后劲渐显不足，再也无力进到我军前沿50米处，完全演变成一场实力悬殊的屠杀。
在日军向南佯攻的同时，其主力乘火车沿同蒲铁路向北逃窜而去。开始，就连张文革司令员也以为日军真要突围，刚想派出装甲部队增援南线，突然意识到，很可能是日军设置的骗局。因为，即使是日军真的突破了我军防线，突围成功并且和20师团会师，还将要受到我军和国民党军的南北夹击，与其这样还不如死守太原，板垣不会愚蠢到这个地步吧？鬼子要逃跑！张文革司令员立即果断地命令装甲集群，从东方向太原发起反冲锋。同时电告大同方向的前指王鹏师长，要他们注意太原方向的可能出逃之敌，立即做好阻击准备，勿使一个日寇北逃，一定要把板垣第5师团全歼在山西境内。
大同前指的王鹏师长接到命令后，立即调整部署，华北集团军的3个团，西北集团军的1个炮兵团，一个12辆缴获的92式轻型坦克分队，继续向晋察冀方向搜索攻击。联络沿同蒲铁路向南搜索攻击，已经进到原平附近的上田王志勇部，命令他们立即停止前进，就地构筑阻击阵地，不惜一切代价阻止日军第5师团北逃，3-5小时内由大同集中的增援部队才能赶到。王志勇团长回电：不必增援，建议其他部队继续肃清大同周围的残敌，我团有能力独立完成阻击任务。如有可能，只需大量的炮弹。王鹏师长也是来自未来的战士，毕业于信阳陆军学校，参加过对y国的自卫还击作战，也是一个军政双优的人才。一个多月前还是侦察大队3中队的战士，随着部队的扩大已经成为统帅几万人的师长，授少将军衔。接到王志勇团长的回电，心里不禁暗暗骂道：华北集团军的人都是什么毛病？粘上边就变得牛比烘烘，好像本事比老子还大！骂归骂，他对华北集团军的战斗力还是清楚的，为了慎重起见，除了紧急调运20个货车皮满载各型炮弹，利用铁路紧急调运到上田外，还集中了西北集团军的2个团约3000余人，布置在王志勇团两翼的后方防备万一，利用先进的通讯手段调动起部队来，十分的及时和灵活，况且，还有米-8直升机，强大的机动运输能力，使1个团可以当几个团用。
王志勇团长并不是逞匹夫之勇，常言道：艺高人胆大。华北集团军对士兵的强化军事训练的内容之一，就是必须熟练掌握步枪、轻机枪、重机枪、迫击炮、掷弹筒、拚刺刀的技术*作，基本掌握卡车驾驶，坦克驾驶，步兵炮和野战炮的*作，这些训练的目的就是为部队规模不断扩大作准备，同时大大提高了士兵的素质和战斗力。而且，王志勇团的大部分士兵都参加过“掠夺者”和“狼吞”行动，又是一个加强团，加强的1个炮兵营和2个迫击炮连的火力就够强的了，这还不算众多的重机枪和掷弹筒的火力，有点军事常识的人都知道，掷弹筒实际上就是小型迫击炮，在几百米的范围内，比迫击炮还优越。收编的3600余人的战俘组成的3个团也带在身边，全部用日式武器装备起来，为了便于指挥，暂时命名为2、3、4团。把战俘里面的炮兵挑出来，又临时组成了2个92步兵炮连。虽然大同战斗是远距离奔袭，没有像攻打太原的部队，有那么多的火箭炮和59式坦克等现代重武器。但是，以5000余人的兵力，14辆缴获的97式坦克，150余门各型火炮，自动化很高的步兵武器，先进的通讯设备，充足的弹药供应等优势条件来打这场阻击战，用王志勇的话说：这是手拿把拤。
我军的500余辆，由59式主战坦克和装甲运兵车组成的钢铁洪流，大开车灯，一路狂吼地冲向太原。在东面佯攻的只有少量的日军，大部分是伪军，同南面相比没有太强的攻击力，本来密集的弹雨和炮火已经使他们心惊胆战了。当我军的装甲部队涌来时，战斗的意志彻底瓦解了，掉头向太原城里狂奔逃窜，来不及跑的只好龟缩在战壕里，浑身颤抖地接受噪音和尘土的折磨。谁说倭国兵战斗意志强不后退？此时，同伪军一样只恨爹妈少生了两条腿，没命地逃窜。在太原外围早就领教了我军的火力和单兵素质，同他们曾经面对的其他中国军队决不一样，彻底压倒了所谓的武士道精神，剩下的只有恐惧和自卑了，还有什么勇气不逃跑呢？
我军攻进太原城里，发现日军主力已经逃跑，基本没有像样的抵抗，立即向指挥部张文革司令员报告。我军士兵跃出装甲运兵车追击残敌，占领仓库、工厂、车站，后续部队源源不断地涌进太原。张文革司令员立即向基地刘剑锋司令员报告，趁天还没有亮，基地派出5架武装直升机攻击逃跑的日军，以减轻北面部队的压力。
板垣第5师团北逃的火车，一路上不断有小股日军加入，达到了30000之众。板垣在临时的指挥车厢里，看着地图盘算着下一步计划。以他的性格，这样在支那军的追击下逃跑，实在难以容忍，自侵华战争爆发以来，能征善战的大倭国皇军哪里受过这样的窝囊气？板垣合计着以现在的30000余兵力，选择在一个适当的地方，给支那军一个强有力的反击，改变目前皇军所面临的颓势。然后挥师收复大同，再会同归绥方面的友军，南下重新占领太原，否则，这辈子的军旅生涯和荣誉算是完了。板垣老鬼子正在做着报复的美梦，突然，传来阵阵剧烈的爆炸声，车厢随之剧烈地摇晃起来，一个参谋跌跌撞撞地推门进来，惊慌失措地报告：“报告师团长，空袭！”
“空袭？胡说！支那军哪来的飞机……”板垣的话没说完，就看到车厢内的所有物品都向一边滑去，自己的身体也不由自主地扑向车厢的壁板，霎时大脑一片空白失去了知觉。
基地派出的5架武装直升机发射火箭击毁了机车，又将所有弹药倾泻向翻下路基的列车，在大量杀伤敌人有生力量后迅速返回。日军损失惨重，人员伤亡接近半数，黑暗中，剩余的日军在军官们的组织下，放弃救治伤员，徒步沿铁路线向北逃去。
张文革司令员命令已经进入太原的装甲部队，立即集结补充油料弹药，沿铁路向北快速追击。天亮时装甲部队赶到被击毁的列车处，留下2辆坦克和10辆装甲运兵车清理现场，其余的战车继续向北追击。令人惊喜的是，板垣征四郎居然还活着，车翻被撞昏后，由于天黑以及日军慌乱忙于北逃，没有被及时搜救，醒来后看到的是一个陌生的军队。当他知道就是这支中国军队，使他的几万人马遭到灭顶之灾后，深知自己罪孽深重，另外，帝国军人的荣誉感决不受被俘之辱，使他想立即自杀，但是未遂。刘剑锋司令员接到报告大喜，这个头号战犯，屠杀中国人民的刽子手落入法网，对日军的士气该是多么大的打击啊！于是顾不上保密，派了一架黑鹰直升机将板垣押解回基地。
剩余北逃的万余名日军，一夜惊魂，又累又饿，到了上田附近想休息一下，没想到一阵铺天盖地的炮火砸了下来，鬼子死伤累累。但是，求生的本能战胜了疲劳和饥饿，意识到处境险恶的日军，开始了最后的疯狂。由于大型火炮基本全部丢失，只好集中小型炮火，发起更大规模的集团冲锋，在我军防线上的一个点上，最多时竟然2000余人，冒着我军密集的炮火同时冲锋。
要说这小倭国鬼子真是有点精神，居然一度占领了上田车站。但是，毕竟是疲劳之师，缺少重武器，弹药不足，只凭武士道和求生的本能又能坚持多久呢？要知道，物质产生精神，没有物质，精神必然消灭。在我军猛烈的炮火轰击下，14辆97式坦克全部出动，很快夺回了车站。极度的疲劳、饥饿、绝望，加上残酷的血与火的拦阻，日军的斗志逐渐衰退。山本联队长是幸存的最高指挥官，看着不到三千人的部队和遍地伤兵，知道归绥肯定去不成了。为了保存一点第5师团的种子，决定分散行动，越过太行山，能出去几个算几个，把山西发生的一切，向华北方面军司令部报告。当我军装甲部队赶到时，日军以作鸟兽散了，多则十几人，少则三五人潜向太行山。至此，日军第5师团作为王牌战斗部队已不复存在了，军旗最后也被我军从击毙的山本联队长身上搜出。这股残余的日军，不仅遭到我军的追杀，也遭到其他各色武装包括土匪的袭击，最后走出太行山到达北平的幸存者，不足百人。倭国朝日新闻后来发表评论哀叹，称之为“帝国有史以来最悲惨的灾难”。殊不知，这仅仅是开始，还有更大的灾难将降临到侵略者的头上。
第5师团覆灭后，我军又向南横扫第20师团主力，肃清各个小据点的日伪军，以至打到临汾附近，同国民党第二战区的部队相望时才停下来。我军已经拥有了大半个山西，另一半要靠政治手段获得了。按照历史原来的轨迹，日军统治太原长达8年，日军第5师团将在1938年1月转用于青岛、胶济路；1938年3月参加徐州会战的临沂、台儿庄战斗；10月12日调入华南第21军，10月22日登陆珠江口攻占佛山；1939年9月自华北方面军转隶关东军；11月15日调回第21军参加桂南作战在钦州湾登陆，11月24日占领南宁，12月投入昆仑关争夺战。第20师团将在1939年11月调回朝鲜军，倭国战败投降时隶属南方军第18军在新几内亚向澳军缴械。
然而，这一切都不会再发生了，历史轨迹发生了严重偏转。山西战役共歼灭日军主力主要有，第5师团，第20师团，第109师团一部，东条英机为司令官的关东军察哈尔派遣兵团，日军混成第15旅团等约十余万人。活捉第5师团长板垣征四郎；击毙第20师团长川岸文三郎，其他各级军官无数。俘虏日军1293人，伪军14482人。我军亡5639人，伤12247人。此役，我军获得决定性的胜利，不仅获得一个战略复兴基地，对整个中国的抗战和政局产生了巨大的影响，历史，将沿着偏转的轨迹继续向前发展。
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