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1937年9月，日軍在平型關遭遇失利後，其氣焰仍十分囂張，集結重兵繼續向山西腹地進犯。
閻錫山抵擋不住，部隊連連敗退。
10月，日軍利用茹越口晉軍失守的時機，向忻口地區進犯。
國難思良將，當朱德率八路軍各部積極抗戰的同時，晉軍一些有愛國之心的將領，也在積極謀求自救，比如時任第二戰區第7集團軍司令的傅作義將軍。
娘子關失守後，山西省會太原受到嚴重威脅。第二戰區司令長官閻錫山命令參加忻口作戰各部隊撤至太原。但這也是暫時的，日軍氣勢洶洶，對太原志在必得，守太原八成守不住。
閻錫山召開軍事會議，商量誰來守太原。
會議開了一天，山西各將領無人敢於承擔防務，閻錫山與諸將面面相覷，不知如何是好。
此時傅作義挺身而出，說：「太原城我守！」諸將登時一片大嘩，不知傅作義說的是真是假。
傅作義一貫不受閻錫山喜歡，他是山西臨猗人，雖也是閻錫山老鄉，但閻錫山只信任五台一帶的鐵杆老鄉，對其他地方尤其晉南的並不真當心腹。傅作義是個既精明又能幹的人，閻錫山感覺駕馭不了他，所以一直沒把他列入核心將領。
此時傅作義挺身而出，難免令人懷疑。閻錫山已顧不了許多，當即緊握傅作義之手：「宜生啊，山西，靠你了。」
閻錫山很快率城內軍隊撤向晉西南。
當時周恩來也在太原參加了此次會議。周恩來對傅作義說：「抗日戰爭勝利之基礎，在於廣大人民群眾深厚偉大的力量。請多保重。」11月5日，日軍迫近太原。傅作義特地派人護送中共中央副主席周恩來出城，並且將城內所存一部分武器撥交八路軍。
周恩來出城前對傅作義說：「傅將軍守城名將，是可信賴的。但抗日戰爭是長期的戰爭，焦土抗戰的主張是錯誤的，只顧一城一地的得失也是不足為訓的。要着眼於爭取最後的勝利。能爭取時間就是勝利，能保存有生力量就是勝利，務請深思。」
傅作義深表感激。他是出了名的守城將軍，尤其是當年涿州一戰，打出了威名，各界均知他這個大名，他也有心依託太原堅城與日軍一較高下。
11月6日，日軍主力到達太原城下，在數十架飛機和數百門各種炮的配合及坦克掩護下，開始圍攻太原。
面對強敵，傅作義下定了以身報國的決心。他給家人寫了遺書，說：
「須知此次對日寇之戰是一次外御頑敵和保衛祖國之戰，它關係到我們國家的存亡和民族的興衰，全國人民奮起抗戰，人人有責。作義自幼從軍，戎馬半生，只知為國為民，早置生死於度外，只要一息尚存，誓與日寇血戰到底，為國捐軀，義無反顧。作義自幼在外，很少關心家務。俗語常說，為國盡忠就不能為親盡孝，我看亦不盡然。須知皮之不存，毛將焉附？此次保衛祖國，亦就附帶保衛家鄉，或可兼顧忠孝兩面，此點甚堪告慰！生，我所欲也，義，亦我所欲也，二者不可得兼，捨生而取義者也。耿耿此心，有如日月，可以告慰國人和家人矣！」
傅作義指揮部隊誓死血戰艱苦守城三晝夜，仿亡慘重。由於敵眾我寡、裝備懸殊，日軍突入城內，雙方展開了激烈的巷戰。
為了保存有生力量、爭取最後勝利，在萬不得已的情況下，傅作義組織部隊突圍轉移。部隊先到中陽集中，後至石樓、柳林一帶休整。
日軍攻城作戰亦付出較重傷亡，尤其是城破之後，傅作義部隊仍在堅持巷戰，日寇士兵多有在巷戰中被捅死的。
太原戰鬥的情況迥異於娘子關等地，守軍頑強之程度，幾近於平型關之戰，日軍以為是八路軍那支部隊開到此處。日軍審訊俘虜，問其番號及主將，當俘虜回答並非八路軍，主將也不是林彪時，日軍甚為驚訝，中國軍竟有第二個林彪，敢作如此殊死之戰鬥。
傅作義撤出太原後，想起周恩來告訴他的話，反思太原之戰，感到戰爭的指導思想確實有誤，而中共所說確實有理。
1938年初，傅作義任第二戰區北路軍總司令，總部駐離石縣柳林鎮。他和中國共產黨派來的曾三、程子華等在柳林會談合作抗日事宜。之後，派周北峰去延安晉見毛主席及中共中央其他領導人。傅作義參照八路軍政治工作的做法，先後建立北路軍政治工作委員會和所部政治工作機構。
中共中央應傅作義的請求，從延安數次選派共產黨員和抗日大學陝北公學的學員，以潘紀文為特派員，協助傅作義部隊建立政工制度。
政工人員的五項任務是：一、激勵抗戰士氣；二、嚴明部隊紀律；三、增強軍民合作；四、實行經濟公開；五、瓦解日偽軍。
傅作義對八路軍的政治工作制度十分讚賞，委託潘紀文根據部隊實際，草擬了一個政治工作守則，基本內容包括：廢除打罵士兵的惡習；實行經濟公開、建立「奮鬥室」，活躍士兵文化生活，幫助勞苦百姓，改善軍民關係；實行軍政統一，在軍事指揮員領導下進行政治工作。
同時，他還親自參照八路軍的「三大紀律、八項注意」，為部隊制訂了「十項紀律」。
主要內容是：說話和氣，買賣公平，借物速還，損物賠償，不許調戲婦女，不許打人罵人；部隊行軍時，不準踏壞禾苗，部隊住宿後，院落街道要打掃乾淨；行軍前要缸滿院凈，部隊煮飯燒柴，馬食草料要付錢，家中無人者，寫清數量將錢壓在條下，不虐待俘虜，不許搜俘虜腰包。
政治工作守則和「十項紀律」貫徹執行後，過去官兵脫離、軍民脫離等舊軍隊的一套殘餘作風，逐步有所改變。傅作義還熱心研究中共中央毛澤東主席和八路軍的戰略戰術、作戰方法，組織部隊幹部學習《論持久戰》等書中的戰略戰術思想，並將學習研究成果隨時運用到戰役戰鬥中去。
過去，他指揮作戰主要是陣地戰，後來也實行了運動戰和游擊戰相結合，這樣大大提高了作戰效能。在抗日民族統一戰線中，由於傅作義與共產黨合作抗戰，幹了國民黨其他軍隊不幹、反對乾的事，引起了蔣介石、閻錫山等人的懷疑和不滿。
閻錫山說：「傅宜生赤化了。」蔣介石說：「傅作義的部隊成了『七路半』了，將變成八路軍了。」
對此，傅作義毫不在意，依然堅持自己的做法。1938年冬天，傅作義參加了國民政府軍事委員會在陝西武功召開的軍事會議，接受第八戰區副司令長官的任命，在綏西河套地區設立副司令長官部，從此脫離了閻錫山的晉綏軍體系。
1939年12月，傅作義率部襲擊了日軍佔領的包頭，重創日偽軍。日軍遭此打擊，惱羞成怒，揚言「嚴懲傅作義」。
1940年年初，日偽軍數萬人進犯河套地區，實施報復。傅作義面對強敵，採用避其鋒芒、打其側翼、分塊圍殲的戰術，同敵大周旋，打得日軍躲不勝躲，防不勝防，只好龜縮在五原城中。
到了第二年春季，綏西一帶河水解凍，道路翻漿，很不利於重武器和機械化部隊行動，為殲滅日軍創造了有利條件。3月，傅作義決心充分利用天時、地利、人和三方面的有利條件，徹底殲滅五原之敵。
他命令王子修旅掘開萬和長一帶的黃河水渠，讓大水漫灌日軍機械化部隊的必經之路。與此同時，他命令孫蘭峰率第31師，袁慶榮率第32師為突擊隊，攻奪五原城；命令董其武率第101師在烏加河畔阻擊從包頭、安北、固陽來增援的日軍。
3月20日夜，傅作義指揮部隊對盤踞五原新舊兩城之敵發起猛攻。經兩個日夜的激烈戰鬥，勝利收復五原。這次戰役，擊斃了日軍水川一夫中將及大橋少佐等300多人，全殲以桑原為首的特務機關，殲滅日偽軍3,400人，俘虜日偽軍300餘人，繳獲大炮16門、汽車50餘輛。
五原戰役的勝利，是全國抗戰以來，國民黨軍中第一個收復失地的戰役，影響很大。4月17日，國民政府授予傅作義「青天白日勳章」。受此勳章的，蔣介石是第一人，傅作義是第二人。
對此，傅作義於5月23日發表辭勛呈文，說五原之捷乃是所部全體官兵艱苦抗戰、奮勇抗敵的功績，個人不應領此勛獎。全國各黨派團體紛紛發電祝賀，派代表團前來慰問。國內一些報紙稱讚五原戰役是「氣吞河嶽」、「歷史上的空前偉績」「人類歷史上光輝紀錄」等。
重慶《大公報》曾譽此役是「最後勝利的先聲」。自1933年長城抗戰至抗日戰爭結束，傅作義率領所部轉戰1.8萬餘里，進行大小戰役、戰鬥290多次，基本上保持了不敗的紀錄。
1945年5月，美國魏德邁將軍以盟軍中國戰區統帥部參謀長的身份，來陝壩檢閱部隊。他對傅作義部隊的教養、素質、技術等方面給予很高評價，說以國際標準衡量不在任何部隊之下。
