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当日军第5师团向太原城攻击之际，由晋东向西进的日军第20师团在攻占太原以南榆次后，即沿同浦路南下，于8日在太谷与第13军发生战斗；日军第5师团于8日夜攻占太原后，即以一部进出交城以北地区。
8日，第13军汤恩伯部第89师第265旅第529团某营守备的太谷被日军攻陷。当日，日军一部从太谷南进与第529团对峙，其主力沿同蒲路南下。
9日，日军先头部队越过祁县。同时从太原南进的日军攻占交城。
这时守军晋北部队及晋东部队之一部，均集结于汾阳附近地区，其余部队均已取得联络。
9日20时，卫立煌在汾阳下令：所属各部队在平遥、汾阳之线以南附近地区集结，准备尔后作战，并规定了各兵团的行动及任务。
此时，第3军正沿白晋公路南撤，第22集团军第41军正沿同浦路向平遥撤退，第45军第127师大部已随晋北部队撤至赵城、洪洞一带收容，第27路军在大宁附近集结，第17军（欠第21师）及第177师第529旅由汾阳移至吴城镇，由太原城突围的第35军在中阳集结，第101师已于12日前到达东明谷附近，其余部队均于指定地区集结。
第18集团军及骑兵第1、第2两军仍在敌后游击。
日军攻占太原后，第5师团以摩托化部队向南追击至清徐后停止；第20师团向南追击，于10日占领平遥后停止；第109师团在太原东南榆次、昔阳地区集结；第108师团原在获鹿、井陉间集结，准备用于正太线（后改平汉线方面）。
12日，华北方面军令第20师团及第109师团驻屯山西，第5师团调至保定、石家庄一带休整（仍直属华北方面军），令关东军于15日归还建制。至此太原抗战结束。
卫立煌根据敌情，决心以一部占领子洪镇、韩侯岭、兑九峪、吴城镇之线，阻敌南进，主力于汾阳以南地区整补，遂于15日在临汾下达对敌攻击命令。但因各部队均由残部编并而成，番号虽多，实际兵力不过七个师。除少数部队留战场附近整补外，其余均赴临汾以南侯马、垣曲、永济、河津、平陆一带整补。至1938年2月，敌我双方仅有小部队互相游击，并未发生大规模战斗。
太原会战期间，中国空军华北支队曾对大同、繁峙、平型关、阳明堡、崞县、原平及平汉路沿线日军进行轰炸，支援地面部队作战。据统计，连同太原会战开始前几天，共计进行了12次侦察、42次轰炸，击落日机三架，击伤一架，击毁日军大批重型设备。据报，仅10月13日一天，就在原平、崞县炸毁日军坦克24辆。
9月21日，日本关东军飞行第16联队15架战斗机，掩护第12联队八架轰炸机轰炸太原时，中国空军第28中队陈其光率七架驱逐机迎战，将日军“空战大王”第16联队第1大队长三轮宽少佐座机击伤，迫降于太原附近农田中，三轮宽被当地民兵击毙。