于是胡天作让全军留下辎重粮草，轻装出发，向太原开进。当行至太原西南方向三十里处时，就被蒙古哨探发现，并快马禀报给木华黎。木华黎命令吾也而、不花所部共两万骑兵，兵分两路分别向胡天作所部发起进攻。
胡天作所部行至太原西南方向十里余处时，就遭到吾也而、不花两支骑兵万人队的合围。胡天作所部三万人马主要以步兵为主，只有少量骑兵，被蒙古骑兵袭击，只得仓促迎战。
吾也儿、不花的两支骑兵万人队，虽不是纯正的蒙古骑兵队伍，但是却是从其他各族挑选出来的优秀士兵编组而成。其战斗力和女真骑兵旗鼓相当，更是远胜金军步兵。
两万蒙古骑兵和三万金军步兵一交战，金军很快败下阵来，胡天作只好率部撤退，蒙古骑兵一路追杀百余里，金军死伤无数，胡天作只带千余骑兵回到平阳府。
与此同时，完颜开所部也到达距离太原以东一百里处的晋中县。完颜开所部原本只有两万人马，但完颜珣诏命其须带三万人马救援太原。完颜开只得从预备军中又征兵一万，然后率军北上。
完颜开，本名张开，金国中都路景州汉族人。自幼习武，成年以后加入绿林。蒙古大军攻掠河北时，完颜开结集地方武装固守景州，后又领兵收复清州，被金国朝廷封为潞州招抚使。完颜开在与蒙军的战斗中多次杀敌立功，并向完颜珣上表以示忠心，被完颜珣恩赐完颜姓氏。当蒙古大军入侵山西时，又被完颜珣封为上党公、隆德知府，领泽、潞、沁三州。
完颜开所部北上时，陆续遇到小股蒙军袭扰，都被完颜开所部杀散。完颜开所部很快攻入太谷县。
接连不断的胜利使这员久经沙场的老将犯了麻痹大意、疏于戒备的兵家大忌。而此时木华黎让石抹明安继续围攻太原，自己亲率十万步兵准备进攻完颜开所部。
当完颜开接到哨探禀报太原方向有蒙军袭来的消息后，还误以为是蒙军的零散部队，也没多大在意，岂料前来阻击却是的木华黎大军主力。
完颜开所部仓猝应战，遭到木华黎大军围攻，完颜开所部几乎全军溃散，身边仅剩几百余骑兵的完颜开只得逃回隆德府。
击溃完颜开所部后，木华黎大军主力从容回师，继续围攻太原府。
太原军民被蒙古大军前后围困了三个月，城内存粮基本耗尽，士兵只得宰杀战马以充饥，而百姓则只能用糠草来果腹。尽管如此，郭文振和太原军民依然众志成城，拒绝了木华黎的多次劝降，而决心与木华黎大军拼死一战。
蒙古大军在攻打朔州、忻州等地时，缴获数百斤火药。木华黎见太原府城墙高大稳固，守城将士修缮的防御工事又牢不可破，于是命工匠队将收缴的火药制造成上千枚火炮。
在对太原军民最后一次劝降失败后，木华黎命令士兵通过抛石车将这些火炮抛入城内，城内很多防御工事被击中摧毁，很多金军被炸死炸伤。木华黎又命令步兵使用攻城云梯攻城，金军纷纷溃败。蒙军陆续攻入城内。
尽管大势已去，郭文振依然率领饥饿疲惫的金军坚持战斗。此时吾也而、不花率领的两万骑兵又返回太原城下，攻入城内的蒙军步兵打开城门，迎蒙古骑兵入城。金军再也无法抵挡，郭文振只得指挥金军向南门方向突围出城。
蒙古骑兵从城北追至城南，郭文振率领残军已逃出城外，不知所踪。
至此木华黎大军完全占领太原府。