太原的設防的確是第一流的。但在晉中戰役以後，它畢竟已成為一座孤城了。眼下這座孤城又靠誰去防守呢？此時，閻錫山的兵力只剩下了第66、第68、第69師、暫編第45師、第49師和暫編第8總隊等6個師了，加上從晉中戰場逃回的殘部，也顯然是不夠用的。
不過，閻錫山還有招數，他派他的太原綏署副主任楊愛源，親自到南京找美國駐華大使司徒雷登，通過司徒雷登，懇請陳納德派B-25型轟炸機來太原助戰；又派彭士弘等人前往青島，懇請美軍第7艦隊司令白吉爾出兵應援；還派他的高參、原日偽山西省長蘇體仁東去日本，策劃成立「東亞同盟志願軍」，空運太原作戰。
其結果又怎樣呢？除了美軍在青島、煙台等地拼湊了一個假名經濟考察的軍事組織來太原外，其餘都成泡影。
此招不成，閻錫山並沒有灰心喪氣。他一面連電向蔣介石求援，一面補充殘餘部隊。
經過東拼西湊，他恢複了晉中戰役中被重創的第61軍軍部；重建了晉中戰役被殲的第19、第33、第34、第43等4個軍部和第70、第71、第72、第73師，暫編第39、第40、第44、第46師，暫編第9、第10總隊等10個師。同時，將太原民衛軍編為鐵血師；將各部隊抽來受訓的「鐵軍基幹」編為鐵干師；將太原綏署軍官隊和各部編余軍官編為神勇師和迫擊炮師；將被俘返的人員編為忠貞師。這樣，閻錫山防守太原的兵力達10萬餘人。
閻錫山集中了11個師、21個保安團，在太原城外組成了東、西、南、北四個防守區：東防區，以第19軍軍長溫懷光兼總指揮；西防區，以第61軍軍長趙恭兼總指揮；南防區，以第43軍軍長高倬之兼總指揮；北防區，以第33軍軍長韓步洲兼總指揮。城東南的雙塔寺專設要塞司令，由第43軍軍長劉效曾兼任司令。城內以特務團、憲兵團、裝甲團，設中心防區；另留有7個師作為預備隊，並任命第10兵團司令王靖國為太原守備司令，指揮全局。
具體防禦計畫：
第一、方針：為確保華北據點，控制工業區，培植獨立與共匪作戰之軍事、政治力量，徹底殲滅來犯之匪；並相機配合其他地區之國軍，全面反攻，恢複政權。
第二、指導要領：為實施戰略守勢，戰術攻勢起見，以少數兵力，固守要點，大部兵力，保持機動，期憑藉堅固工事，與熾盛火力，予匪以重大損害。而後適時運用我機動部隊，逐次殲滅局部匪軍，以達攻勢持久之目的。
第三、兵力部署：第10兵團擔任城東、城南地區。確保楊家堡、椿樹園、馬庄、淖馬、牛駝寨、風（鳳）閣梁之線。機動部隊，分別控制於雙塔寺，卧虎山附近。第15兵團擔任城西、城北地區。確保陽曲鎮、欄崗、呼延村、化土頭、白家莊（九院北側）、南堰鎮。機動部隊分別控制於新城、東社鎮附近。由孫楚直接指揮各部為總預備隊，在城垣附近，保持機動。
第四、其他事項。⑴推行黨、政、軍一元化，進行總體戰；並加強情報及肅諜工作。⑵實行平民經濟：節約消費，提倡生產、增加糧源、以防匪圍困；並對空軍補給設施，儘力準備與維護。⑶工事構築：須兼有骨幹及面之配備，並在地下、地面、空中（指碉堡、城牆上、中、下之射孔）之立體設備。在東正面，應注意敵之攻堅，在西正面，應防匪之奇襲。⑷戰鬥上之注意：必須用伏槍、伏炮、實行節短勢險之戰法，增大匪之損害至最大限，減少自己損害至最小限，俾達火海制人海之目的。（《國民黨軍戰役史第五部——戡亂》第4冊，第254～256頁）
為死守太原，閻錫山大力加強法西斯統治。8月23日，閻錫山發布《告全體同志書》，命令所屬嚴守陣地，抱定奮鬥到底之決心。為此，以梁化之為首的特種憲警指揮處，用特務手段加強控制；在軍隊實行「連坐法」，防止士兵逃跑和投降；將被解放軍俘虜後放回的官兵編成「雪恥奮鬥團」。閻錫山還為自己做了一口棺材放在門口，並為自己準備了毒藥，表示「不成功則成仁」，欺騙部屬為他賣命。