东山战斗打响后，阎锡山要全力固守四大要塞，我军为扫清攻城道路，要夺取四大要塞，一场激烈的东山四大要塞争夺战势在必行。10月23日，华北军区第1兵团司令部颁布对东山四大要塞的攻击命令。命令规定于10月26日晚发起攻击，并重新调整了作战部署。
26日16时，我军各纵队按照规定的作战部署，开始攻击四大要塞。双方均以主力投入战斗。阎锡山部除守备西山的3个师、城南城北的两个师外，其余8个师、3个总队及保安团，全部投入战斗。我军先后投放的兵力共27个半团，仅有4个团未参战。双方动用火炮达800余门。
太原战役中最紧张最激烈的战斗开始了。一位当年参加过东山争夺战的老人回忆说：那场仗双方打得可真够凶啊！惨啊……
第15纵队攻占淖马。淖马距太原城2公里多，由淖马主阵地及1号至9号阵地共10余个阵地组成，其中以主阵地及7号阵地（炮碉）最为坚固，主阵地修在山顶，四周有5层劈坡。守军为第30军和独立第8总队各一部。26日16时，第15纵队以第43旅第128团全部及第129团2个营向主阵地攻击，同时以第44旅一部及第129团1个营向主阵地左右两侧攻击，保证主攻部队的侧翼安全，并以第127团为预备队。守军在“执法队”威逼下拼命顽抗，第15纵队进攻受阻。午夜，攻击部队以爆破手段冲上第1层劈坡，但又与守军相持在第2、第3层劈坡之间。拂晓前，第129团警卫班以连续爆破突入主阵地，后续部队随乘势发展，于27日晨攻占主阵地，后以第127团一部坚守该阵地。27、28日，阎军以第279师1个团和独立第8总队大部共4000余人，在猛烈炮火掩护下，连续反扑19次，均被第127团击退。31日至11月1日，第44旅乘胜攻占主阵地以西的6个阵地。11月10日，第127团又在炮火掩护下以连续爆破、连续突击手段，激战5小时攻克炮碉。次日，阎军竟日反扑，均未得逞。当夜，阎锡山以独立第8总队司令赵瑞率部作最后反扑。赵则在政治争取之下率500余人起义。至此，淖马阵地全部为第15纵队占领。
第7纵队攻占牛驼寨。牛驼寨位于城东北5公里处，可屯兵5000人，由3个集团阵地构成环形防御，偏东有5、6、7号碉，东南有4号指挥碉（因与一庙相连，又称庙碉）。守军为独立第10总队主力和第68师。10月26、27日，第7纵队两度进攻失利，遂以独3旅强攻5、6、7号碉，以独12旅袭击10号碉。31日，独3旅迅即攻占7号碉，独12旅以连续爆破顺利攻占3、8、10号碉，逼迫2号碉守军投降，9号碉守军逃窜，接着又攻占了1号碉。11月1日，庙碉守军在“执法队”的威逼下进行了5次反扑，并使用毒气弹，均被独12旅击退。但此时独12旅被5、6号碉守军切断退路，正面又受到猛攻，处境危急。为改变独12旅多面受攻的形势，纵队以警2旅接替独3旅续攻5、6号10个主碉为3个集团阵地的支撑点，10号碉（炮碉）位于阵地的中心和最高点，有11层劈坡，炮碉正北有8、9号碉，西面至南面有1、2、3号碉，正北碉。警2旅经过20个小时激战，始于11月2日攻占5、6号碉。守军千余人麇集庙碉，依托有利地形拼命固守。11月12日，独7旅接替独12旅续攻4号碉。经过9次爆破5次攻击，才于次日占领4号碉。至此，经过10余次激烈的反复争夺，第7纵队终于攻占了牛驼寨。
第13纵队攻占山头。山头位于城东南5公里处，其阵地由主阵地及其以东的大脑山阵地组成，两阵地之间有交通壕连接。主阵地又有1-5号骨干阵地组成，周围有劈坡2-6层，每层高4-6米。守军为独立第9总队全部、第73师1个团、第276师和独立第8总队各1个营。10月26日，第13纵队首先以第38旅发起攻击，至28日该旅连续攻占大脑山3个阵地，接着向主阵地发起进攻。由于将主阵地误认为是次要阵地，因此在31日的进攻中只使用了1个团，致使两次进攻均未奏效。11月1日，第38旅集中2个团攻击山头主阵地再度受挫，此后遂将进攻兵力逐次增加为3个团。此时，兵团正策动黄樵松起义，第38旅奉命停止进攻。在第1兵团猛攻之下，蒋介石担心太原不保，
第8纵队攻占小窑头。小窑头位于太原城小东门正东4公里处，阵地建在山岭上，由1-15号阵地组成，其中11-15号阵地位于最高处的支撑点，各阵地均有3-10米劈坡，劈坡上沿和各死角筑有水泥碉堡，整个阵地交错连环。守军为第279师1个团，独立第10总队1个连及保安第6团一部。10月26日，第8纵队以第24旅附第22旅第64团对小窑头发起攻击。至27日下午，全部占领1-6号阵地，28日上午又占领8、13、14、15号阵地。28日中午，阎锡山以第30军2个团及第279师1个团在剪子湾、淖马、双塔寺、黄家坟、东城门等处炮兵群的支援下，发动大规模反扑，并施放毒气弹、燃烧弹。第24旅被迫放弃8、11、13、14、15号阵地。29、30日，第24、第22旅各1个团再次发起攻击，至31日夺回8、15、14号阵地。31日，纵队调第23旅第68团第3营担任夺取13、11号阵地的任务。当日16时30分，该营在炮火掩护下以连续爆破突入13号阵地，全歼守军2个连。11号阵地守军乘隙逃跑。至此，小窑头一线阵地被全部占领。11月9日，第72团一部乘势攻占小窑头北侧的四亩圪洞，俘守军300余人。
争夺四大要塞的战斗异常激烈。至此，阎锡山多方吹嘘的太原城东四大要塞全部被我攻占，太原城完全暴露在我军攻击之下。
战后，各主要阵地上焦土1米，草木摧折，手榴弹木柄敷地一层，守军遗尸遍野，战况之惨烈程度，可见一斑。
在攻打四大要塞的同时，晋中军区部队为配合主力作战，先后攻占了城北的青龙镇、北留、黄塞、周家山、会沟梁，城南之许坛，汾河西岸之南北堰、赵家山等据点。