1925 年 6 月 5 日凌晨，新华军按照计划，以第 1 装甲师、第 4 步兵师、第 6 步兵师为主力，共 5 万兵力，从晋省运城、直隶常山两个方向，对晋省发起突袭。
西路战场，第 1 装甲师师长赵刚率领 300 辆 FT-23 型坦克，配合 2 个步兵团，向中条山防线发起进攻。中条山是晋省的西部门户，阎百川在此部署了 1 个旅的兵力，依托山地修建了战壕与碉堡。但晋军士兵从未见过如此庞大的装甲部队，当坦克的履带碾过战壕、火炮轰塌碉堡时，晋军士兵瞬间慌了阵脚，纷纷扔下武器逃跑。仅用 3 小时，新华军便突破中条山防线，向临汾推进。
东路战场，第 4 步兵师师长刘勇率领部队，向阳泉发起进攻。阳泉是晋省的东部门户，控制着正太铁路，阎百川在此部署了 1 个师的兵力，配备 20 门山炮与 100 挺重机枪。新华军采取 “正面佯攻 + 侧翼迂回” 的战术：正面部队用 LP-20B 式 155 毫米迫击炮轰击晋军阵地，吸引火力；侧翼部队则在当地向导的带领下，从山间小道绕到晋军后方，发起突袭。晋军腹背受敌，防线很快崩溃，新华军占领阳泉，切断了阎百川与华北的联系。
6 月 8 日，新华军西路部队攻克临汾，东路部队占领榆次，两路大军对晋阳形成合围之势。阎百川得知消息后，急调晋阳城内的 2 个嫡系旅，加强东、北两门的防御，同时电令傅宜生率领第 3 混成旅驻守西门，抵御新华军进攻。
傅宜生接到命令后，表面上积极布防，暗中却做好了起-义准备。6 月 9 日凌晨，新华军对晋阳东、北两门发起佯攻，火炮轰鸣声响彻夜空。阎百川亲自到北门督战，严令士兵死守阵地。就在此时，傅宜生在西门举起信号枪，三颗红色信号弹划破夜空 —— 这是与新华军约定的起-义信号。
早已做好准备的第 3 混成旅士兵，迅速控制西门城楼，打开城门，迎接新华军入城。第 1 装甲师的坦克率先驶入晋阳，沿着街道向督军府推进；步兵部队则迅速占领火车站、电报局、银行等重要设施。阎百川在北门得知西门失守的消息后，大惊失色，连忙下令撤退，试图从南门逃出晋阳，前往晋城投靠孙馨远。
但新华军早已预判到阎百川的逃跑路线，在南门设下埋伏。当阎百川的车队抵达南门时，新华军士兵突然开火，晋军护卫部队瞬间被击溃。阎百川见大势已去，只好下车投降。6 月 9 日上午 10 点，新华军完全控制晋阳，晋省战役的主战场宣告结束。
然而，仍有部分晋军残余势力在晋城、大同等地负隅顽抗。晋城的残余势力首领是阎百川的亲信旅长张鹤峰，他率领 5000 余名士兵，依托晋城城墙，试图长期抵抗。新华军派遣第 6 步兵师前往清剿，采取 “围而不攻 + 攻心为上” 的策略：一方面封锁晋城的所有出路，切断粮食与水源供应；另一方面，通过喇叭向城内喊话，宣传新华军的正-策，承诺只要放下武器，就会善待投降士兵。
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