娘子关方面守军的溃退，使日军沿正太路两侧迅速逼近太原，太原形势顿转严峻。阎锡山于11月1日令忻口方面的守军向菜水坞、青龙镇、天门关一线转移，协助防守太原。期间阎锡山曾向蒋介石致电，陈述其撤军的理由：”我东路军黄部退至寿阳以东附近地区后，连日被敌猛攻，仍不能支持，不得不准其逐次向内撤退。在此千钧一发时机,若不迅速令西路军卫部向市转进，一旦敌突至阳曲城下，不特该城防部队陷于孤立、难以固守，即卫部后方亦感莫大胁迫，攻守两难。为万全之计,已拟以依城野战之目的，令卫部于今晚向菜水坞、青龙镇、天门关之城转进，占领阵地，与敌决战。”
阎锡山所谓依城野战，实际上是以守城部队为核心，城市外围防御工事为主阵地，内外防守部队合力包围聚歼日军于太原城郊。但从雁门关以北到平型关战役，从忻口血战到娘子关御敌，事实上晋军的主力已经在层层设防之中消耗怠尽。仅在忻口战场之上，先后投入战斗计约十六个师，伤亡便在五万人左右。第九军军长郝梦龄、第五十四师师长刘家麒、独立第五旅旅长郑廷珍、第一九六旅旅长姜玉贞等战将都先后殉国可见战斗之惨烈。而与之所对应的日军的伤亡，国民政府和阎锡山事实上都不敢抱太大奢望。根据国民政府的统计，忻口战役日军投入兵力在5万人左右，伤亡估计在2万人上下，而阎锡山本人则估计日军的伤亡应在四、五人之间。但是其实谁都清楚，无论是那个采信数字都足以令从忻口正面突进的板垣师团和北线日军失去战斗力。
但在忻口战役之中板垣兵团不过投入混成第十五旅团以及堤支队等置于右翼，将步兵第二十一旅团等师团的主力置于左翼（西），从10月3日起，在95门火炮和航空队的支援下开始了攻击。虽然事后日军也承认忻口会战，是乘势进攻山西省的板垣兵团，对充分备战的中**队进行的一次艰苦作战。对固守阵地的敌人的攻击是没有奇计可施的，除了以优势的兵力攻取之外，别无他法。处于劣势的板垣兵团，从战斗开始起就不断出现损失，强撑着进行了苦战。但是损失并不如国民政府所预计的那样巨大。
而正因为板垣所部在忻口打疼了，为了让板垣征四郎扳回面子，从娘子关方向突破的日军即平汉线方面的第一军和津浦线方面的第二军。也知道板垣的尴尬，因此几乎是停顿下来等待让板垣所部先行攻进太原，以雪忻口战役的耻辱。而即便以**现有的兵力独立面对板垣兵团却也没有必胜的把握。除了大多数参战部队已经打残了之外，中央军和晋绥军之间的矛盾与不和也是导致太原会战最终一败涂地的主要原因。
阎锡山将其"依城野战"计划推出后，第2战区副司令黄绍竑提出了反对意见。他认为忻口和娘子关两方面的部队正在败退，恐怕在还没有占领阵地的时候就被敌人压迫到太原城边来。原有的国防工事并不可靠，万一那些部队站不住脚，被敌人压迫下来，前方许多人都混杂在像锅底的太原城区，其后果不堪设想。黄还认为，太原城固然不宜轻易放弃，但也不应以野战来支持守城，而应以守城来支持野战部队的休息整顿。即使守城部队都作了牺牲，以换取大多数野战部队休息整顿的时间，也是值得的。
因此他主张将娘子关方面的部队（能掌握的只有孙连仲部和一些陆续到达的川军）撤至寿阳县铁路以南和榆次县以东的山地收容整理，并与第十八集团军联络，从敌人侧后予以袭击；日军如向南进攻，则沿同蒲路东侧山地逐步撤向太谷、平遥。忻口方面的部队，除派一小部分守北郊既设工事警戒外，其余皆撤到汾河以西的高山地区整顿，并监视敌人，必要时侧击敌军。这样布置，从忻口、娘子关撤退下来的部队既可休整，也可牵制敌人攻击太原城，太原城内部队也可支援城外部队。
晋绥军将领对阎锡山的计划自然没有什么异议，但中央军的卫立煌以及孙连仲均表示反对，而是赞同黄绍竑的意见。会议一直开到2日深夜一点多仍然没有结果，一些疲惫的将领甚至打起了呼噜，会场上也只剩下阎锡山与黄绍竑两人相持不下，最后阎锡山只能明确表示：“军队已经行动了，要改变也无从改变了”。
当一切作战方案计划已经不可能更改的情况下，太原保卫战关键在于选定守城主将了，阎锡山一开始就看中了一向善打守战的傅作义,傅作义也当仁不让。在11月2日的高级军事会议上，当晋军将领缄默不语时，傅作义虽知其不可为，但他以国家民族利益为重，挺身而出，毅然请命：“弃土莫如守土光荣，太原城我守！”
军事会议后，阎锡山即离开太原赴交城。实际上，阎为保存自己的实力，已将晋军主力调往临汾等地，因此对于”保卫太原”的想法即便是晋绥军方面也只能是画饼充饥，此时担任前线指挥的卫立煌6日下达了暂避决战、固守太原、主力南撤、待机回歼日军的作战计划。这个计划的下达，实际上改变了阎锡山的"依城野战"的作战方针，而使守卫太原城的部队成为孤军独战，极大地增加了守城的困难。
后来局势的发展，也使阎锡山当初的的作战计划成为一纸空文。按照阎锡山的设想，由忻州退下来的部队在太原以北的黄寨、阳曲湾一线修筑的国防工事建立防御阵地，由娘子关撤下来的部队在太原东山一线建立防御阵地。但是，溃不成军的孙连仲部过早失守太原东山阵地，使东路日军直插太原侧背。蒋介石派遣的援军裴昌会所部刚刚开到阳曲湾就仓惶退回，从忻口后撤的部队未及进入阵地，日军板垣师团即跟踪追至，于是纷纷由汾河西岸向南撤退，太原环城附近已经没有中**队，阎锡山的作战计划废为一纸空文，依城野战变成了孤城独战。
1937年11月4日下午，卫立煌由忻口撤退下来，进太原城和傅作义见面，卫立煌不主张空守孤城，认为现在依城野战，已不可能，只剩太原孤军守城，徒耗兵力，不会有什么好结果，不如改变计划，一同南下。但傅作义却表示：守土抗战，军人有责。野战军在，太原当然要守，野战军走了，太原还是要守。至于后果，现在考虑不了那么许多。最后傅作义在封城以前，将卫送出城外。卫立煌给傅作义留下“相机撤退”的手令后率领他的部队南撤。太原城中的居民也大多逃离了这座大难临头的城市。
同行的**代表周恩来则深情地说：“傅将军守城名将，是可信赖的。但抗日战争，是长期的战争，焦土抗战的主张是错误的；只顾一城一地的得失也是不足为训的。要着眼于争取最后的胜利。能争取时间就是胜利，能保存有生力量就是胜利。务请深思。”傅作义虽然深为感动。但还是吩咐手下在封城的最后时刻护送周恩来出城了。
傅作义的守城部队，计有步兵第三十五军的第二一一旅孙兰峰所部、第二一八旅董其武所部共6个团，原第六十一军李服膺所部的第二一三旅杨维垣所部2个团；第七十三师代师长王思田的师部，新编独立第一旅陈庆华所部3个团。炮兵有第二十一团李柏庆所部，炮兵第二十二团刘倚蘅部和高射炮一个连。部队番号不少，但经过2个月的艰苦鏖战和严重损耗，实际兵员不过一万人左右，在周围几十里的太原城圈布防，就更显得捉襟见肘。又兼以上这些部队，大部是新编部队或拨补的新兵，即便是向来以善战而闻名的第三十五军本身，又因连续经过商都、平绥线、平型关、忻口几个战役，损失很大，元气已伤，当时每团平均只有约600人。将绥远调来的4个民兵团全部补充进去，才算基本满员。同时，傅作义对其他部队在使用上又多所顾虑，不那么得心应手，只好把自己的基本队伍第三十五军，悉数摆在敌人必攻的东城墙和北城墙上，硬着头皮打这一仗。
守城部队布署完毕后，傅作义下令准备在4日黄昏即行封闭城门。封城以前，傅作义曾集合部队作动员讲话。他说：“我们要守住太原城，阻止敌人前进，才能掩护大部队和太原居民及物资安全转移。今天就要封城，我们城里的官兵，就像活人躺在棺材里，只差盖盖子了。如果我们齐心协力守住太原城，就能把棺盖子给顶开了，大家就得救了。否则，棺材盖子就被敌人给咱钉死了。”
最后傅作义抬高嗓音，慷慨激昂地说：“困兽犹斗，我们抗日军人，为何不能和敌人决死一战呢？希望弟兄们发扬为国家、为民族英勇献身的爱国精神，努力杀敌，完成保卫太原城的光荣任务！我们必须坚决奋斗，尽到守土抗战的神圣职责！”
傅作义的这些话原本是表示与城共存亡的决心，给守城将士极大鼓舞的。但另没想到激起了一些贪生怕死之辈的求生**，一些士兵和军官在封城前相继溃逃。当天晚上，不只士兵和下级军官有越城潜逃的，就连总部里傅作义的亲随中校副官尹绍伊，第三十五军上校处长李荣骅等，也都乘黄昏封城的空子，相偕出走。面对眼前的一切，傅作义惟有说不出的悲哀。