李自成将横渡黄河的地点选在禹门。在李自成的周密部署下，军民齐心协力，20万大军，乘黄河冰封之机，在禹门顺利有序地渡过黄河后，所向披靡，几乎没有遇到什么阻力，就占据了蒲州，猗氏、闻喜、绛州（今山西新绛），垣曲知县会同生员乡民于稷山迎递降表。当时的形势，正如吏部的奏报中所说：“秦冠窥渡，三晋披靡，贼骑未到而城池以空，伪檄方传而人心胥乱。”鉴于各地官民倡逃成风，正月二十日，崇祯帝连续发出两道谕旨。一道是制止倡逃。说寇患地方，人心不固，闻警逃避，法纪荡然。其倡逃者，不论宗室、官绅，立行拿问。另一道是表彰急公倡义之举。说畿南震邻、紫马、龙固等关，极宜加强守备，要以一贼不入为功，倡义急公者，奏闻纪录。同时任命郭景昌以右都御史巡抚山西，接任蔡懋德出任山西巡抚，任命御史金毓峒监军山西。为了鼓舞军民士气，特意让西洋人汤若望随金毓峒前往，以便加强山西军队的火器生产与装备。然而，“寇所至多开门迎降，结寨反拒官兵”已成为事实。

　　二月，大顺军在李自成的指挥下迅速向太原逼进。河曲县胥吏抢夺官印献给李自成，静乐县民热烈欢迎大顺军入城。二十六日，大顺军完成了对太原的包围。原在陕北的李过这时也按照大顺军的部署抽调部分兵力，由葭州渡河，沿河邀击防守黄河的官兵，以绝太原之援。

　　太原东控井陉，南接沁水，接壤平阳，西北邻延绥，是山西省会，也是明朝重兵把守的战略要地。太原城内，守兵不多，人心慌乱。巡抚蔡懋德伙同傅山炮制了一份帖子，大肆诬蔑农民军杀戮甚惨，又编造 “马在门内难行走，今年又是弼马温”的谣言，以此来稳定军心和民心。傅山为着保护家乡不被大顺军占领，急向屯驻在保定的督师李建泰求助，一日夜跑了五百里，来到保定，请求李建泰火速出兵援救太原。傅山不知道李建泰也有自己的苦衷，所谓为代朕督师，只不过是个虚名，他既没有这个胆，手下也没有多少兵马，躲都躲不急，哪还敢主动出击！他不敢答应，可又不直说，故作镇静地说：太原城坚民勇，“贼不能遽破，吾姑坚壁，俟贼至太原，兵既接，吾乃以轻兵袭其后。粮道绝，腹背受敌，即旬日可破也。不宜速进”。傅山很不满意这番说辞。当即辩解道：“太原北倚重关，南控汾、辽。其下，兵犹建瓴也。公疾抵城下，内外相犄角，则其势益壮。诸将见公文臣不畏贼，宜皆至。南面诸州县虽破，全晋之势固在也。方今贼虽锐，得于速战。公但坚壁保太原，太原固，天下事尚可为。若贼乘虚而入太原，内无兵，外无援，其势必破。太原破，则神京之西臂折，而大势去矣。”言辞恳切，建泰全都听不进。傅再三恳求，终无效果，气得痛哭流涕，含愤而去。新任巡抚郭景昌并不为这一荣升任命而高兴，他来到固关，听到大顺军破州克郡，所向无敌，便停止了脚步。三边总督余应桂亦按兵不动，观察形势。蔡懋德虽然被解职，但新任巡抚还未到达，太原就被包围了。他继续同布政使赵建极等人谋划守城事宜。李自成遣人持牌至城下招降。蔡懋德击碎招降牌，擒斩劝降来使。

　　李自成来到太原城下指挥攻城。蔡懋德遣标下骁将朱孔训、牛勇迎击，朱中炮身受重伤，牛当即战死，军士皆没。晋王朱求桂拿出3000两银子，送到城头上，散给守军兵。初七日，狂风大作，拔树揭瓦，至夜风愈刮愈大，势若轰雷，彻夜不停。农民军乘势发起猛烈进攻，将云梯靠近城墙，率先夺取了南关。大南门守将张雄缒城出降，吩咐同伙放火烧毁城楼。东南城上一堞楼内贮火药数十笼，还有火堆、火箭、灰瓶、火石等物，五鼓时分，库存火药爆炸，霹雳之声，轰震全城。太原卫千户陈嘉琦及其弟陈嘉贵均为大火烧死。四城守垛兵望见城楼火起，以为城已失守，便一哄而散。初八日黎明，大顺军由南门入城。中军副总兵应时盛持矛巷战，掩护蔡懋德突围，未遂，两人退至三立祠，这里曾经是他讲学的地方，而今却成为他的葬身之地。蔡力竭被俘悬梁缢死，应亦缢死于蔡身旁。山西布政使赵建极，巡宁道毕拱辰，守宁道毛文炳，指挥刘秉铙、马负图、韩似雍，督粮道蔺刚中，太原知府孙康等地方官被处死。晋王朱求桂逃出城外，被追回，投降了农民军。李自成将他留在军中。山西提学副使黎志升以及文士韩霖被俘后归附，李自成当即予以任用，让黎主持考试。太原是山西省会，有分析家说：太原既下，其目中已无燕京矣。李自成在太原停留八天，发布了著名的《永昌元年诏书》。