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1937年9月，日军在平型关遭遇失利后，其气焰仍十分嚣张，集结重兵继续向山西腹地进犯。
阎锡山抵挡不住，部队连连败退。
10月，日军利用茹越口晋军失守的时机，向忻口地区进犯。
国难思良将，当朱德率八路军各部积极抗战的同时，晋军一些有爱国之心的将领，也在积极谋求自救，比如时任第二战区第7集团军司令的傅作义将军。
娘子关失守后，山西省会太原受到严重威胁。第二战区司令长官阎锡山命令参加忻口作战各部队撤至太原。但这也是暂时的，日军气势汹汹，对太原志在必得，守太原八成守不住。
阎锡山召开军事会议，商量谁来守太原。
会议开了一天，山西各将领无人敢于承担防务，阎锡山与诸将面面相觑，不知如何是好。
此时傅作义挺身而出，说：“太原城我守！”诸将登时一片大哗，不知傅作义说的是真是假。
傅作义一贯不受阎锡山喜欢，他是山西临猗人，虽也是阎锡山老乡，但阎锡山只信任五台一带的铁杆老乡，对其他地方尤其晋南的并不真当心腹。傅作义是个既精明又能干的人，阎锡山感觉驾驭不了他，所以一直没把他列入核心将领。
此时傅作义挺身而出，难免令人怀疑。阎锡山已顾不了许多，当即紧握傅作义之手：“宜生啊，山西，靠你了。”
阎锡山很快率城内军队撤向晋西南。
当时周恩来也在太原参加了此次会议。周恩来对傅作义说：“抗日战争胜利之基础，在于广大人民群众深厚伟大的力量。请多保重。”11月5日，日军迫近太原。傅作义特地派人护送中共中央副主席周恩来出城，并且将城内所存一部分武器拨交八路军。
周恩来出城前对傅作义说：“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。”
傅作义深表感激。他是出了名的守城将军，尤其是当年涿州一战，打出了威名，各界均知他这个大名，他也有心依托太原坚城与日军一较高下。
11月6日，日军主力到达太原城下，在数十架飞机和数百门各种炮的配合及坦克掩护下，开始围攻太原。
面对强敌，傅作义下定了以身报国的决心。他给家人写了遗书，说：
“须知此次对日寇之战是一次外御顽敌和保卫祖国之战，它关系到我们国家的存亡和民族的兴衰，全国人民奋起抗战，人人有责。作义自幼从军，戎马半生，只知为国为民，早置生死于度外，只要一息尚存，誓与日寇血战到底，为国捐躯，义无反顾。作义自幼在外，很少关心家务。俗语常说，为国尽忠就不能为亲尽孝，我看亦不尽然。须知皮之不存，毛将焉附？此次保卫祖国，亦就附带保卫家乡，或可兼顾忠孝两面，此点甚堪告慰！生，我所欲也，义，亦我所欲也，二者不可得兼，舍生而取义者也。耿耿此心，有如日月，可以告慰国人和家人矣！”
傅作义指挥部队誓死血战艰苦守城三昼夜，仿亡惨重。由于敌众我寡、装备悬殊，日军突入城内，双方展开了激烈的巷战。
为了保存有生力量、争取最后胜利，在万不得已的情况下，傅作义组织部队突围转移。部队先到中阳集中，后至石楼、柳林一带休整。
日军攻城作战亦付出较重伤亡，尤其是城破之后，傅作义部队仍在坚持巷战，日寇士兵多有在巷战中被捅死的。
太原战斗的情况迥异于娘子关等地，守军顽强之程度，几近于平型关之战，日军以为是八路军那支部队开到此处。日军审讯俘虏，问其番号及主将，当俘虏回答并非八路军，主将也不是林彪时，日军甚为惊讶，中国军竟有第二个林彪，敢作如此殊死之战斗。
傅作义撤出太原后，想起周恩来告诉他的话，反思太原之战，感到战争的指导思想确实有误，而中共所说确实有理。
1938年初，傅作义任第二战区北路军总司令，总部驻离石县柳林镇。他和中国共产党派来的曾三、程子华等在柳林会谈合作抗日事宜。之后，派周北峰去延安晋见毛主席及中共中央其他领导人。傅作义参照八路军政治工作的做法，先后建立北路军政治工作委员会和所部政治工作机构。
中共中央应傅作义的请求，从延安数次选派共产党员和抗日大学陕北公学的学员，以潘纪文为特派员，协助傅作义部队建立政工制度。
政工人员的五项任务是：一、激励抗战士气；二、严明部队纪律；三、增强军民合作；四、实行经济公开；五、瓦解日伪军。
傅作义对八路军的政治工作制度十分赞赏，委托潘纪文根据部队实际，草拟了一个政治工作守则，基本内容包括：废除打骂士兵的恶习；实行经济公开、建立“奋斗室”，活跃士兵文化生活，帮助劳苦百姓，改善军民关系；实行军政统一，在军事指挥员领导下进行政治工作。
同时，他还亲自参照八路军的“三大纪律、八项注意”，为部队制订了“十项纪律”。
主要内容是：说话和气，买卖公平，借物速还，损物赔偿，不许调戏妇女，不许打人骂人；部队行军时，不准踏坏禾苗，部队住宿后，院落街道要打扫干净；行军前要缸满院净，部队煮饭烧柴，马食草料要付钱，家中无人者，写清数量将钱压在条下，不虐待俘虏，不许搜俘虏腰包。
政治工作守则和“十项纪律”贯彻执行后，过去官兵脱离、军民脱离等旧军队的一套残余作风，逐步有所改变。傅作义还热心研究中共中央毛泽东主席和八路军的战略战术、作战方法，组织部队干部学习《论持久战》等书中的战略战术思想，并将学习研究成果随时运用到战役战斗中去。
过去，他指挥作战主要是阵地战，后来也实行了运动战和游击战相结合，这样大大提高了作战效能。在抗日民族统一战线中，由于傅作义与共产党合作抗战，干了国民党其他军队不干、反对干的事，引起了蒋介石、阎锡山等人的怀疑和不满。
阎锡山说：“傅宜生赤化了。”蒋介石说：“傅作义的部队成了‘七路半’了，将变成八路军了。”
对此，傅作义毫不在意，依然坚持自己的做法。1938年冬天，傅作义参加了国民政府军事委员会在陕西武功召开的军事会议，接受第八战区副司令长官的任命，在绥西河套地区设立副司令长官部，从此脱离了阎锡山的晋绥军体系。
1939年12月，傅作义率部袭击了日军占领的包头，重创日伪军。日军遭此打击，恼羞成怒，扬言“严惩傅作义”。
1940年年初，日伪军数万人进犯河套地区，实施报复。傅作义面对强敌，采用避其锋芒、打其侧翼、分块围歼的战术，同敌大周旋，打得日军躲不胜躲，防不胜防，只好龟缩在五原城中。
到了第二年春季，绥西一带河水解冻，道路翻浆，很不利于重武器和机械化部队行动，为歼灭日军创造了有利条件。3月，傅作义决心充分利用天时、地利、人和三方面的有利条件，彻底歼灭五原之敌。
他命令王子修旅掘开万和长一带的黄河水渠，让大水漫灌日军机械化部队的必经之路。与此同时，他命令孙兰峰率第31师，袁庆荣率第32师为突击队，攻夺五原城；命令董其武率第101师在乌加河畔阻击从包头、安北、固阳来增援的日军。
3月20日夜，傅作义指挥部队对盘踞五原新旧两城之敌发起猛攻。经两个日夜的激烈战斗，胜利收复五原。这次战役，击毙了日军水川一夫中将及大桥少佐等300多人，全歼以桑原为首的特务机关，歼灭日伪军3,400人，俘虏日伪军300余人，缴获大炮16门、汽车50余辆。
五原战役的胜利，是全国抗战以来，国民党军中第一个收复失地的战役，影响很大。4月17日，国民政府授予傅作义“青天白日勋章”。受此勋章的，蒋介石是第一人，傅作义是第二人。
对此，傅作义于5月23日发表辞勋呈文，说五原之捷乃是所部全体官兵艰苦抗战、奋勇抗敌的功绩，个人不应领此勋奖。全国各党派团体纷纷发电祝贺，派代表团前来慰问。国内一些报纸称赞五原战役是“气吞河岳”、“历史上的空前伟绩”“人类历史上光辉纪录”等。
重庆《大公报》曾誉此役是“最后胜利的先声”。自1933年长城抗战至抗日战争结束，傅作义率领所部转战1.8万余里，进行大小战役、战斗290多次，基本上保持了不败的纪录。
1945年5月，美国魏德迈将军以盟军中国战区统帅部参谋长的身份，来陕坝检阅部队。他对傅作义部队的教养、素质、技术等方面给予很高评价，说以国际标准衡量不在任何部队之下。
