公元一二一七年八月，木華黎率領大蒙古國第四路軍十萬餘人馬，向忻州開進。
中都距忻州一千餘裡，木華黎大軍行軍十餘日後，來到忻州，於石抹明安所部合軍一處，兵馬增至將近二十萬。在等木華黎大軍到來之前，石抹明安還命人打造了上百輛重兵器車。
木華黎大軍在忻州休整五日後，繼續南下向太原府開進。
而此時的郭文振也聚兵愈十萬之眾，並也打造了大量重兵器車，修繕了防禦工事。
不過郭文振不願被圍而戰，而是主動出擊，他親率七萬人馬和一百輛重兵器車布防於汾河南岸，摧毀所有橋梁，嚴陣以待木華黎大軍到來。
金軍在汾河剛好完成布防，木華黎大軍就開到汾河北岸。汾河水麵並不寬，最寬處最多兩裡，最窄處僅有半裡。
木華黎一邊指揮大軍使用重兵器車攻擊汾河對麵的金軍，一邊讓石抹明安帶人沿汾河岸邊收集船支。
木華黎大軍不斷使用重兵器車放長箭、拋石塊攻擊金軍，郭文振也指揮金軍使用重兵器車反擊，雙方均有傷亡。
三日後，石抹明安已經收集船支百餘艘。木華黎即命令全軍在重兵器車的掩護下，強行渡河。
此時汾河南岸，七萬金軍已被木華黎大軍的重兵器車攻擊的不敢靠近岸邊，乘坐船支的蒙軍紛紛上岸，向金軍發起進攻。郭文振見蒙軍步兵上岸，便指揮金軍衝上去阻擊。但隨著上岸的蒙軍越來越多，金軍漸漸處於下風。
戰鬥持續三天三夜，二十萬蒙軍全部上岸，不斷向金軍發起進攻。金軍抵擋不住，隻得紛紛後撤。
太原府城牆有南北兩門，北門守城將士看到郭文振率軍回撤，趕緊打開城門，放郭文振等人入城。過了一會兒，蒙軍也殺到城下。守城將士還沒有等到金軍全部撤回城裡，就趕緊關閉城門，沒有入城的金軍隻得向南逃竄。
郭文振逃回城內，經清點人數，隻有不到五萬人馬逃回城內，有兩萬餘人戰死或者向南逃去。
此時木華黎率領將近二十萬蒙軍追至太原府北門城下，又開始使用重兵器車攻城。郭文振也率領八萬金軍進行了頑強的抵抗。
在外征戰一年有餘的的木華黎大軍此時也是十分疲憊。木華黎命令大軍將太原府城團團包圍，一邊繼續攻城，一邊進行休整。
木華黎又派出一支三萬人馬的偏師，先後奪取太原府周圍的交城、壽陽、榆次、文水、祁縣、太穀、盂縣等城池。
在木華黎大軍到來之前，郭文振已經上表給金國朝廷，請求增兵太原。
為了增援太原，完顏珣下旨，命令平陽知府胡天作、隆德知府完顏開分彆率領所部三萬人馬，從平陽和隆德北上，互為犄角，共解太原之圍。
胡天作，金國西京路管州人。自幼習武，青年時期即加入金軍，以鄉兵身份守禦管州，後因累功升任少中大夫、管州刺史等職。蒙古大軍入侵山西後，金國朝廷封其為“平陽公”、平陽知府，命其鎮守山西西南各地。
胡天作率領三萬人馬從平陽府出發，進入太原境內，攻打木華黎大軍占領的縣城，因為這些城池在木華黎大軍打下來後，並沒有派兵駐守。胡天作所部很快就收複了太原以西各個縣城，然後駐紮於太原以西二百裡處的交城休整。
木華黎久攻太原不下，為引郭文振出擊，佯裝一副要撤軍的模樣。郭文振誤聽哨探之言，做出了木華黎將要全線撤軍的誤判，便催促胡天作所部前來太原彙合，一起進攻木華黎大軍。
於是胡天作讓全軍留下輜重糧草，輕裝出發，向太原開進。當行至太原西南方向三十裡處時，就被蒙古哨探發現，並快馬稟報給木華黎。木華黎命令吾也而、不花所部共兩萬騎兵，兵分兩路分彆向胡天作所部發起進攻。
胡天作所部行至太原西南方向十裡餘處時，就遭到吾也而、不花兩支騎兵萬人隊的合圍。胡天作所部三萬人馬主要以步兵為主，隻有少量騎兵，被蒙古騎兵襲擊，隻得倉促迎戰。
吾也兒、不花的兩支騎兵萬人隊，雖不是純正的蒙古騎兵隊伍，但是卻是從其他各族挑選出來的優秀士兵編組而成。其戰鬥力和女真騎兵旗鼓相當，更是遠勝金軍步兵。
兩萬蒙古騎兵和三萬金軍步兵一交戰，金軍很快敗下陣來，胡天作隻好率部撤退，蒙古騎兵一路追殺百餘裡，金軍死傷無數，胡天作隻帶千餘騎兵回到平陽府。
與此同時，完顏開所部也到達距離太原以東一百裡處的晉中縣。完顏開所部原本隻有兩萬人馬，但完顏珣詔命其須帶三萬人馬救援太原。完顏開隻得從預備軍中又征兵一萬，然後率軍北上。
完顏開，本名張開，金國中都路景州漢族人。自幼習武，成年以後加入綠林。蒙古大軍攻掠河北時，完顏開結集地方武裝固守景州，後又領兵收複清州，被金國朝廷封為潞州招撫使。完顏開在與蒙軍的戰鬥中多次殺敵立功，並向完顏珣上表以示忠心，被完顏珣恩賜完顏姓氏。當蒙古大軍入侵山西時，又被完顏珣封為上黨公、隆德知府，領澤、潞、沁三州。
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完顏開所部北上時，陸續遇到小股蒙軍襲擾，都被完顏開所部殺散。完顏開所部很快攻入太穀縣。
接連不斷的勝利使這員久經沙場的老將犯了麻痹大意、疏於戒備的兵家大忌。而此時木華黎讓石抹明安繼續圍攻太原，自己親率十萬步兵準備進攻完顏開所部。
當完顏開接到哨探稟報太原方向有蒙軍襲來的消息後，還誤以為是蒙軍的零散部隊，也沒多大在意，豈料前來阻擊卻是的木華黎大軍主力。
完顏開所部倉猝應戰，遭到木華黎大軍圍攻，完顏開所部幾乎全軍潰散，身邊僅剩幾百餘騎兵的完顏開隻得逃回隆德府。
擊潰完顏開所部後，木華黎大軍主力從容回師，繼續圍攻太原府。
太原軍民被蒙古大軍前後圍困了三個月，城內存糧基本耗儘，士兵隻得宰殺戰馬以充饑，而百姓則隻能用糠草來果腹。儘管如此，郭文振和太原軍民依然眾誌成城，拒絕了木華黎的多次勸降，而決心與木華黎大軍拚死一戰。
蒙古大軍在攻打朔州、忻州等地時，繳獲數百斤火藥。木華黎見太原府城牆高大穩固，守城將士修繕的防禦工事又牢不可破，於是命工匠隊將收繳的火藥製造成上千枚火炮。
在對太原軍民最後一次勸降失敗後，木華黎命令士兵通過拋石車將這些火炮拋入城內，城內很多防禦工事被擊中摧毀，很多金軍被炸死炸傷。木華黎又命令步兵使用攻城雲梯攻城，金軍紛紛潰敗。蒙軍陸續攻入城內。
儘管大勢已去，郭文振依然率領饑餓疲憊的金軍堅持戰鬥。此時吾也而、不花率領的兩萬騎兵又返回太原城下，攻入城內的蒙軍步兵打開城門，迎蒙古騎兵入城。金軍再也無法抵擋，郭文振隻得指揮金軍向南門方向突圍出城。
蒙古騎兵從城北追至城南，郭文振率領殘軍已逃出城外，不知所蹤。
至此木華黎大軍完全占領太原府。
成吉思汗得知木華黎大軍攻占太原府後，遂決定起全國之兵，一舉滅掉金國。正在這時，留守主營地的也遂妃快馬稟報成吉思汗，大蒙古國派往花剌子模的一支五百人商隊，被花剌子模當作間諜殺死了。
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