東山戰鬥打響後，閻錫山要全力固守四大要塞，我軍為掃清攻城道路，要奪取四大要塞，一場激烈的東山四大要塞爭奪戰勢在必行。10月23日，華北軍區第1兵團司令部頒布對東山四大要塞的攻擊命令。命令規定於10月26日晚發起攻擊，並重新調整了作戰部署。
26日16時，我軍各縱隊按照規定的作戰部署，開始攻擊四大要塞。雙方均以主力投入戰鬥。閻錫山部除守備西山的3個師、城南城北的兩個師外，其餘8個師、3個總隊及保安團，全部投入戰鬥。我軍先後投放的兵力共27個半團，僅有4個團未參戰。雙方動用火炮達800餘門。
太原戰役中最緊張最激烈的戰鬥開始了。一位當年參加過東山爭奪戰的老人回憶說：那場仗雙方打得可真夠凶啊！慘啊……
第15縱隊攻佔淖馬。淖馬距太原城2公里多，由淖馬主陣地及1號至9號陣地共10餘個陣地組成，其中以主陣地及7號陣地（炮碉）最為堅固，主陣地修在山頂，四周有5層劈坡。守軍為第30軍和獨立第8總隊各一部。26日16時，第15縱隊以第43旅第128團全部及第129團2個營向主陣地攻擊，同時以第44旅一部及第129團1個營向主陣地左右兩側攻擊，保證主攻部隊的側翼安全，並以第127團為預備隊。守軍在「執法隊」威逼下拚命頑抗，第15縱隊進攻受阻。午夜，攻擊部隊以爆破手段衝上第1層劈坡，但又與守軍相持在第2、第3層劈坡之間。拂曉前，第129團警衛班以連續爆破突入主陣地，後續部隊隨乘勢發展，於27日晨攻佔主陣地，後以第127團一部堅守該陣地。27、28日，閻軍以第279師1個團和獨立第8總隊大部共4000餘人，在猛烈炮火掩護下，連續反撲19次，均被第127團擊退。31日至11月1日，第44旅乘勝攻佔主陣地以西的6個陣地。11月10日，第127團又在炮火掩護下以連續爆破、連續突擊手段，激戰5小時攻克炮碉。次日，閻軍竟日反撲，均未得逞。當夜，閻錫山以獨立第8總隊司令趙瑞率部作最後反撲。趙則在政治爭取之下率500餘人起義。至此，淖馬陣地全部為第15縱隊佔領。
第7縱隊攻佔牛駝寨。牛駝寨位於城東北5公里處，可屯兵5000人，由3個集團陣地構成環形防禦，偏東有5、6、7號碉，東南有4號指揮碉（因與一廟相連，又稱廟碉）。守軍為獨立第10總隊主力和第68師。10月26、27日，第7縱隊兩度進攻失利，遂以獨3旅強攻5、6、7號碉，以獨12旅襲擊10號碉。31日，獨3旅迅即攻佔7號碉，獨12旅以連續爆破順利攻佔3、8、10號碉，逼迫2號碉守軍投降，9號碉守軍逃竄，接著又攻佔了1號碉。11月1日，廟碉守軍在「執法隊」的威逼下進行了5次反撲，並使用毒氣彈，均被獨12旅擊退。但此時獨12旅被5、6號碉守軍切斷退路，正面又受到猛攻，處境危急。為改變獨12旅多面受攻的形勢，縱隊以警2旅接替獨3旅續攻5、6號10個主碉為3個集團陣地的支撐點，10號碉（炮碉）位於陣地的中心和最高點，有11層劈坡，炮碉正北有8、9號碉，西面至南面有1、2、3號碉，正北碉。警2旅經過20個小時激戰，始於11月2日攻佔5、6號碉。守軍千餘人麇集廟碉，依託有利地形拚命固守。11月12日，獨7旅接替獨12旅續攻4號碉。經過9次爆破5次攻擊，才於次日佔領4號碉。至此，經過10餘次激烈的反覆爭奪，第7縱隊終於攻佔了牛駝寨。
第13縱隊攻佔山頭。山頭位於城東南5公里處，其陣地由主陣地及其以東的大腦山陣地組成，兩陣地之間有交通壕連接。主陣地又有1-5號骨幹陣地組成，周圍有劈坡2-6層，每層高4-6米。守軍為獨立第9總隊全部、第73師1個團、第276師和獨立第8總隊各1個營。10月26日，第13縱隊首先以第38旅發起攻擊，至28日該旅連續攻佔大腦山3個陣地，接著向主陣地發起進攻。由於將主陣地誤認為是次要陣地，因此在31日的進攻中只使用了1個團，致使兩次進攻均未奏效。11月1日，第38旅集中2個團攻擊山頭主陣地再度受挫，此後遂將進攻兵力逐次增加為3個團。此時，兵團正策動黃樵鬆起義，第38旅奉命停止進攻。在第1兵團猛攻之下，蔣介石擔心太原不保，又將整編第10師之第83旅（後改番號為第83師）4500人於11月初由榆林空運太原。閻錫山遂用該部接替原山頭守軍的防務。11月9日，黃樵鬆起義失敗後，第38旅3個團對主陣地發起總攻，第112、第114團兩次進攻均未得手，僅第113團於當日攻佔5號陣地，次日凌晨襲佔3號陣地。但在守軍第83師的反撲下，3號陣地得而復失，總攻失利。縱隊遂以第37旅接替第38旅繼續攻擊。第37旅第110團出其不意，於當日晚襲佔3號陣地，11日2時又經2、3陣地之間的暗道突然襲佔2號陣地。1、4號陣地守軍在猛攻之下紛紛逃竄。至此，山頭主陣地被攻克。
第8縱隊攻佔小窯頭。小窯頭位於太原城小東門正東4公里處，陣地建在山嶺上，由1-15號陣地組成，其中11-15號陣地位於最高處的支撐點，各陣地均有3-10米劈坡，劈坡上沿和各死角築有水泥碉堡，整個陣地交錯連環。守軍為第279師1個團，獨立第10總隊1個連及保安第6團一部。10月26日，第8縱隊以第24旅附第22旅第64團對小窯頭髮起攻擊。至27日下午，全部佔領1-6號陣地，28日上午又佔領8、13、14、15號陣地。28日中午，閻錫山以第30軍2個團及第279師1個團在剪子灣、淖馬、雙塔寺、黃家墳、東城門等處炮兵群的支援下，發動大規模反撲，並施放毒氣彈、燃燒彈。第24旅被迫放棄8、11、13、14、15號陣地。29、30日，第24、第22旅各1個團再次發起攻擊，至31日奪回8、15、14號陣地。31日，縱隊調第23旅第68團第3營擔任奪取13、11號陣地的任務。當日16時30分，該營在炮火掩護下以連續爆破突入13號陣地，全殲守軍2個連。11號陣地守軍乘隙逃跑。至此，小窯頭一線陣地被全部佔領。11月9日，第72團一部乘勢攻佔小窯頭北側的四畝圪洞，俘守軍300餘人。
爭奪四大要塞的戰鬥異常激烈。至此，閻錫山多方吹噓的太原城東四大要塞全部被我攻佔，太原城完全暴露在我軍攻擊之下。
戰後，各主要陣地上焦土1米，草木摧折，手榴彈木柄敷地一層，守軍遺屍遍野，戰況之慘烈程度，可見一斑。
在攻打四大要塞的同時，晉中軍區部隊為配合主力作戰，先後攻佔了城北的青龍鎮、北留、黃塞、周家山、會溝梁，城南之許壇，汾河西岸之南北堰、趙家山等據點。