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。
成吉思汗得知木华黎大军攻占太原府后，遂决定起全国之兵，一举灭掉金国。正在这时，留守主营地的也遂妃快马禀报成吉思汗，大蒙古国派往花剌子模的一支五百人商队，被花剌子模当作间谍杀死了。
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