梁县城中。缺少弹药的游击队一见正规军的到来，自然是十分欢欣鼓舞，带路直奔吕梁县城。几发炮弹就将破旧的城门给轰开了，然后在机枪火力的掩护下，129师只用了一个冲锋就光复了吕梁县城。将吕梁抛给游击队去建立根据地、发动群众、运送缴获物资的同时，主力军继续向东沿着汾阳、文水、交城、清徐直扑太原，在当地地下党成员的帮助下，进展甚至比新编第二集团军还要快速。
9月15日，第十八集团军在太原西面和北面，新编第二集团军在太原南面和东面摆开了攻城的阵势。155毫米重型榴弹炮在校炮飞机的引导下精确地对部署在太原城中各个制高点的日军火炮进行定点清除。日军第一军得到冈村宁次的命令，已经将所属的三个师团全部撤回，现在有两个师团驻守在太原，另外一个师团被抽调加强石家庄的防御。面对十多万中队，在太原城中的日军只得瑟瑟发抖，后路已经被切断，他们已经被团团围住，天上到处都是发出巨大轰鸣声的中国人的攻击机，只要暴露目标就会被其机炮扫射。
第二天白天，攻城战正式开始，新编第二集团军依仗着强大的火力发动了进攻。但是已经失去撤退希望的日本人却异常顽固，给了新编第二集团军迎头一击，连坦克都被日军敢死队炸毁了数俩。反观第十八集团军一方却较为平静，只是跟城墙上的日军对射了一番。新编第二集团军司令杜聿明心感不快，作为前敌总指挥，他派人去询问，得到了一个答复，于是他的军队也停止了进攻。
当日夜间，太原城中潜伏的人民党的地下党发动了准备已久的武装暴动，被策反的伪军看到了生还的希望，向日军射出了子弹，并打开了城门。潜伏在外的中队一拥而入，睡梦中的日本人还不知道缘由就被打死打伤，很多成为了俘虏。就这样依靠人民军的内应，第二战区损失很小地拿下了坚固的太原城。冈村宁次指定要求死守的几座城市之一失守了。
太原失守的第三天，济南也回到了国民政府的怀抱。原本在豫东会战、苏北会战中，驻守山东的日军第十二军就遭到了较大的损失。对上拥有空中支援的新编第四集团军当然是很吃亏，况且济南没有像太原那般坚固的城防。在几次炮击后，城墙就成段垮塌，日军第十二军司令知道事不可为，在得到冈村宁次命令后，趁夜带兵撤退回了石家庄。走得之匆忙连日军的各个产业、各种辎重都甩给了新编第四集团军。
新编第四集团军组织了简单的入城仪式后，就有秩序地进入了济南。值得注意的是，济南城中有数万日军桥民尚未逃离，这些人在日本人统治的时候为非作歹，甚至收集情报、充当间谍，现在看见带着钢盔，穿着崭新军装的国民革命军开进了城中，他们一个二个的脸上都是死灰死灰的表情。
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