太原的设防的确是第一流的。但在晋中战役以后，它毕竟已成为一座孤城了。眼下这座孤城又靠谁去防守呢？此时，阎锡山的兵力只剩下了第66、第68、第69师、暂编第45师、第49师和暂编第8总队等6个师了，加上从晋中战场逃回的残部，也显然是不够用的。
不过，阎锡山还有招数，他派他的太原绥署副主任杨爱源，亲自到南京找美国驻华大使司徒雷登，通过司徒雷登，恳请陈纳德派B-25型轰炸机来太原助战；又派彭士弘等人前往青岛，恳请美军第7舰队司令白吉尔出兵应援；还派他的高参、原日伪山西省长苏体仁东去日本，策划成立“东亚同盟志愿军”，空运太原作战。
其结果又怎样呢？除了美军在青岛、烟台等地拼凑了一个假名经济考察的军事组织来太原外，其余都成泡影。
此招不成，阎锡山并没有灰心丧气。他一面连电向蒋介石求援，一面补充残余部队。
经过东拼西凑，他恢复了晋中战役中被重创的第61军军部；重建了晋中战役被歼的第19、第33、第34、第43等4个军部和第70、第71、第72、第73师，暂编第39、第40、第44、第46师，暂编第9、第10总队等10个师。同时，将太原民卫军编为铁血师；将各部队抽来受训的“铁军基干”编为铁干师；将太原绥署军官队和各部编余军官编为神勇师和迫击炮师；将被俘返的人员编为忠贞师。这样，阎锡山防守太原的兵力达10万余人。
阎锡山集中了11个师、21个保安团，在太原城外组成了东、西、南、北四个防守区：东防区，以第19军军长温怀光兼总指挥；西防区，以第61军军长赵恭兼总指挥；南防区，以第43军军长高倬之兼总指挥；北防区，以第33军军长韩步洲兼总指挥。城东南的双塔寺专设要塞司令，由第43军军长刘效曾兼任司令。城内以特务团、宪兵团、装甲团，设中心防区；另留有7个师作为预备队，并任命第10兵团司令王靖国为太原守备司令，指挥全局。
具体防御计划：
第一、方针：为确保华北据点，控制工业区，培植独立与共匪作战之军事、政治力量，彻底歼灭来犯之匪；并相机配合其他地区之国军，全面反攻，恢复政权。
第二、指导要领：为实施战略守势，战术攻势起见，以少数兵力，固守要点，大部兵力，保持机动，期凭借坚固工事，与炽盛火力，予匪以重大损害。而后适时运用我机动部队，逐次歼灭局部匪军，以达攻势持久之目的。
第三、兵力部署：第10兵团担任城东、城南地区。确保杨家堡、椿树园、马庄、淖马、牛驼寨、风（凤）阁梁之线。机动部队，分别控制于双塔寺，卧虎山附近。第15兵团担任城西、城北地区。确保阳曲镇、栏岗、呼延村、化土头、白家庄（九院北侧）、南堰镇。机动部队分别控制于新城、东社镇附近。由孙楚直接指挥各部为总预备队，在城垣附近，保持机动。
第四、其他事项。⑴推行党、政、军一元化，进行总体战；并加强情报及肃谍工作。⑵实行平民经济：节约消费，提倡生产、增加粮源、以防匪围困；并对空军补给设施，尽力准备与维护。⑶工事构筑：须兼有骨干及面之配备，并在地下、地面、空中（指碉堡、城墙上、中、下之射孔）之立体设备。在东正面，应注意敌之攻坚，在西正面，应防匪之奇袭。⑷战斗上之注意：必须用伏枪、伏炮、实行节短势险之战法，增大匪之损害至最大限，减少自己损害至最小限，俾达火海制人海之目的。（《国民党军战役史第五部——戡乱》第4册，第254～256页）
为死守太原，阎锡山大力加强法西斯统治。8月23日，阎锡山发布《告全体同志书》，命令所属严守阵地，抱定奋斗到底之决心。为此，以梁化之为首的特种宪警指挥处，用特务手段加强控制；在军队实行“连坐法”，防止士兵逃跑和投降；将被解放军俘虏后放回的官兵编成“雪耻奋斗团”。阎锡山还为自己做了一口棺材放在门口，并为自己准备了毒药，表示“不成功则成仁”，欺骗部属为他卖命。