晨7时01分，同8日总攻的开场式不一样的是，三十余架倭寇飞机突然飞临晋阳上空进行密集轰炸，晋阳的房屋成片被炸，繁华街区变成了巨大的瓦砾场，死者的血肉、残腿断肢以及沾血的衣片，粘贴在断壁残垣和光秃秃的树干上。
倭寇对晋阳城区进行了地毯式，守军缺乏有效防空，只能依靠工事顽强躲避，但日军飞机竟沿江低飞，用机关枪扫射，使许多战士倒在阵地，鲜血染红了大地。这样过了大概两个小时才结束这次轰炸
10时27分，倭寇的火炮部队也开始对守军开始覆盖，而守军的也立刻进行了压制，但是倭寇飞机去而复返，对着守军炮兵阵地就是一番轰炸，使得守军炮兵彻底没有了战力，晋阳城城墙一带炸成了满是焦土。
晋阳城北门这段城墙，昨天被打开的三个豁口也变得更宽，在炮火掩护下，上午11时30分，其第6中队出其不意地从这个豁口登上城墙。尽管守军拼死反击，手榴弹象雨点一般投向倭寇，还是未能打退倭寇。此时，倭寇炮火向城垣豁口两翼及城内纵深延伸。而且，倭寇第2大队主力也在第6中队的掩护下，一波一波地冲向豁口，冲入城内与守军展开巷战。11时53分，城头飘起了太阳旗，倭寇官兵一起高呼。
正午时分，大场联队长得知第2大队的状况后，立即命令该大队占领小北门。下午1时30分，第2大队兵分两路，开始行动。一路由机枪中队长高崎中尉指挥第5、6中队，从国民师范学校附近攻击小北门的背后；另一路则由大队长中村少佐亲自指挥第8中队，沿城墙向西攻击小北门，这样就形成对小北门守军的夹击。
下午2时以后，步兵第42联队对小北门加强了进攻。步兵第21联队第3大队遂于下午3时30分夺取了北门大部分阵地，随后从城墙上向大北门方向扩张战果。粟饭原联队长得知这个情况后，又将预备队第2大队投入战斗，利用第3大队的战果向小北门方向扩张战果。下午4时17分，步兵第42联队第2大队在步兵第21联队第2大队的配合下，完全占领城北一侧。黄昏时分，步兵第21联队第1大队也从新打开的豁口进入晋阳，占领大北门附近。而板垣为了进一步加强攻城力度，又将步兵第11联队投入战斗，令其“超越大场部队前进”。
至此，倭寇步兵第21旅团已完全控制大北门至城东北角城墙上阵地。随后，该旅团（附步兵第11联队）并没有继续进攻，就地转入防御，一边警戒，一边休整，准备扫荡城内。
晋阳城西侧城区
午2时05分，步兵第30联队第2大队首先对西北角实施突击。该地的守军为新编第1团一部，战斗力较弱。可是，就当该大队的先头小队爬到城墙的一半处时，突然一倭寇的150毫米加农炮炮弹飞来，正好落在倭寇进攻队列中。只听“轰”的一声巨响，先头小队顿时死伤过半，进攻顿挫，只得暂时退到距城墙20米的水壕内。
下午4时40分，步兵第30联队第1大队利用步兵第21联队的攻击进展，也向大北门以西的城墙阵地实施突击，终于成功。此时城外有二三十名守军对第1大队发起反击，该大队经过激烈的白刃战，将其全部消灭。当晚5时许，步兵第30联队第2大队也占领了西北角的城墙阵地
下午六时左右，倭寇第五师团开始进驻晋阳，准备夜袭晋阳城南区防地！
根据侦察排报告，倭寇第五师团基本入住晋阳北城，这时夜幕已经降临，倭寇飞机也大大受到限制
张凡决定对第五师团进行炮击，同时让坦克营对倭寇火力点进行攻击，争取打退倭寇这次进攻，为任务、也为其他部队撤离争取时间！
19时15分，张凡所属炮营开始炮击。骄横的倭寇认为守军已经没有反抗的力量，部队布置的比较紧凑，对我军炮击大为有利
张凡先以大炮猛轰城墙，让倭寇后方部队产生混乱，同时尽量把倭寇撤离出城的希望变小，然后对北城区进行覆盖打击，尽量杀伤敌军，然后步兵在坦克掩护下冲锋。
晋军官兵配合张凡进行了数次冲锋。倭寇死伤严重，于是加紧派飞机进行夜晚轰炸，这次倭寇竟然使用了燃烧弹，致使张凡炮营损失惨重。
经过一夜奋战，倭寇最终付出过半伤亡，但是依旧坚持在了城门侧，而我军炮兵基本被摧毁，坦克营也失去进攻能力！
11日清晨，倭寇第20、第109师团也紧急支援进攻晋阳
6时37分，倭寇就开始先以飞机低空轰炸，扫射，然后集中大炮轰击城墙薄弱部，步枪在战车的掩护下猛攻晋阳。晋军伤亡甚重，敌很快突破到南城。晋军军官亲自督战反击，但未能挽回颓势。倭寇突入城内，双方展开巷战。守军伤亡过半，晋阳城大部沦陷。
晋阳沦陷
当倭寇进入内城，一双方混战时，原来本无斗志的第35军中将副军长兼太原城防戒严司令与参谋长，率领官兵、勤杂人员等三四十人，来到大南门，呼叫守城官兵开门，城上问是谁，下面大声说是副军长。
守城士兵一面指示，没有傅总司令的命令，任何人均不准出城；一面向傅总司令报告请示。傅命他立即劝曾速返总部商议大计。不料副军长在离开大南门的要求遭到拒绝后，遂改向水西门出了晋阳城。正是因为曾副军长首先擅离职守，人们当时在混乱中，不辨真相，将副军长误传为傅军长，就乱了军心，加速了晋阳的失守。戒严副司令马不甘落后，也立时乘着李牧号装甲汽车赶到大南门，从炮兵掩体钻出城外，落荒逃命。继马逃亡后，更是满城风雨，全城军民人心惶惶，不可终日，军事指挥系统亦濒于失灵。