东线第18军从石家庄出发，经娘子关西进，直插太原。西线傅作义的第35军从吕梁山区出发，东渡汾河，进攻太原以西的日军防线。两支部队在太原城下会合，合力攻城。
作战计划定在了1942年9月下旬。选择这个时间点是有讲究的——华北的秋收季节刚过，粮食已经入库，部队的后勤补给有保障。而且9月下旬华北平原进入秋高气爽的季节，雨水少，公路路况好，适合大部队机动和炮兵展开。
苏杭在会议结束后亲自给胡琏发了电报，命令第18军抽调两个师参加山西战役，由胡琏亲自指挥。第18军主力沿正太铁路西进，经娘子关攻入山西。第18军炮兵旅全部配属山西方向，太行山兵工厂加急生产一批穿甲弹和迫击炮弹，优先供应第18军。
阎锡山也给傅作义发了电报，命令第35军主力从吕梁山区出击，配合东线苏杭部队的行动。晋绥军的装备虽然不如第18军精良，但傅作义的部队在山区作战经验丰富，尤其善于利用地形进行迂回包抄。阎锡山在电报中特意强调，这一仗是晋绥军与苏家军第一次联合作战，务必打出晋绥军的威风来。
1942年9月20日，山西战役正式打响。
东线，胡琏指挥第18军两个师约四万人从石家庄出发，沿着正太铁路向西推进。先头团在娘子关以东约二十公里处遭遇了日军第36师团的一个大队的阻击。
娘子关是山西东部门户，地势险要，自古就是兵家必争之地。关口两侧是陡峭的山壁，中间只有一条狭窄的山谷通道，正太铁路和公路并行穿过山谷。
日军在娘子关两侧的山壁上修筑了多个火力点，居高临下封锁着山谷入口。
第36师团的这个大队在娘子关驻守了将近两年，对周边的地形了如指掌，火力点的位置选得极其刁钻，有的修在山壁的天然岩洞里，有的藏在灌木丛后面，从山下往上看根本发现不了。
胡琏在战前亲自带人到娘子关前沿勘察了地形。他带了侦察营和几个团长，沿着正太铁路东侧的一处高地用望远镜观察了将近两个小时。娘子关的山谷入口宽不过三百米，正太铁路和公路从谷底穿过，两侧的山壁高出谷底约一百多米。
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