大同、太原間敵軍的聯絡，控制了忻州以北的同蒲鐵路，使大同之敵陷入孤立，戰役任務基本完成，不必再為忻州多費時日。因此，經中央軍委批准，賀龍於8 月15日下令結束晉北戰役。
晉北戰役前，晉綏和晉察冀兩軍區領導對攻打大同進行了反覆醞釀，認為打大同的條件比較成熟。處在第一線的指揮員信心很足，有的甚至打了包票，認為打大同有把握。中央軍委根據軍區領導的報告與當時情況，同意攻打大同，命令晉察冀軍區與晉綏軍區部隊配合，執行攻打大同的任務。
大同是我國著名的煤都，北接綏遠，東連察哈爾，是平綏、同蒲兩鐵路的交會點，歷來是兵家必爭之地。日本侵略軍投降後，閻錫山派第八集團軍副總司令兼四十二軍軍長楚春溪率騎兵第四師開進了大同。他們與日偽勢力同流合汙，把原來的偽軍改頭換面，編成了省防第五軍，並將部分偽軍與騎兵第四師合編成暫編第三十八師。他門還把800 多名日軍加上偽警察部隊，編成了保安教導總隊。東北挺進軍馬占山的騎兵第五、六師，在綏遠戰役中也退縮到了這裡。所以，敵人的這些兵力加起來約二萬人，由楚春溪統一指揮。大同守敵雖然建制不一，戰鬥力不強，但大同城牆厚實，既高又陡，工事堅固，城下有交通壕，從近郊到城牆腳下有3 道防線，築有許多碉堡和暗堡。大同的地形是三面環山，山上山下都有敵人的工事據點，城東有御河，只有城南為平川較為開闊，總的來說易守難攻。
晉綏、晉察冀部隊發起晉北戰役時，北平行轅主任李宗仁、第二戰區司令長官閻錫山，曾經乘飛機到大同，親自作了堅守大同的部署。他們還把大批糧食、彈藥運到大同，準備在大同長期固守。
1946年8 月2 日，根據中央軍委指示，晉綏軍區和晉察冀軍區在陽高召開聯席會議，到會的有晉察冀軍區司令員聶榮臻，副政治委員劉瀾濤、羅瑞卿，第三縱隊司令員楊成武，第四縱隊司令員陳正湘，張家口衛戍司令員鄭維山，晉綏方面只有張宗遜副司令員一人參加。
會議由聶榮臻主持。多數同志認為，晉北戰役後，大同已經成為一座孤城，儘管大同工事堅固，易守難攻，但守敵建制不統一，士氣不高，戰鬥力不強，而我軍經過整編和實戰鍛鍊，戰術、技術都有提高，士氣旺盛。只要我軍在外圍作戰時能大量殲滅敵人有生力量，再用坑道作業爆破城牆，大同是可以攻克的。
會議重點討論了大同戰役的組織計劃，分析了大同的情況，區分了任務。
估計以十天作準備，十天掃清外圍，再用十天即可拿下大同。張宗遜在會上提到我軍攻大同，傅作義部隊可能從歸綏派兵東援。但大家認為大同屬閻錫山管轄，不屬於傅作義所轄的戰區，估計我攻擊大同進展順利，傅作義可能不會出援。如果我攻擊時間較長，傅作義即使出援，兵力也不會很大。最後會議決定：晉察冀軍區以第三縱隊周彪的第七旅，易耀彩的第八旅，第四縱隊邱蔚、傅崇碧的第十旅，第二縱隊蕭應棠的第四旅，軍區教導旅李湘部，第一軍分割槽劉蘇部兩個小團，炮兵團進攻大同；晉綏部隊以第三五八旅，第五軍分割槽兩個小團協助晉察冀部隊進攻大同西北方向的任務。攻擊大同的總
兵力約1。6 萬人。估計到南口方向的敵人三個師可能西援，因此命楊得志縱隊隱蔽開進到延慶、永寧地區阻擊敵人。為防備傅作義部約四個師東犯，策應大同，所以確定以五個旅（晉綏野戰軍的四個旅和晉察冀第二縱隊第四旅）
的兵力開赴涼城地區準備打援。為了便於統一指揮，決定由晉綏和晉察冀軍區的部分負責同志組成大同戰役野戰指揮部，張宗遜任司令員，羅瑞卿任政治委員，楊成武任副司令員。1946年8 月3 日，聶榮臻將會議情況和攻打大同的準備情況向中央軍委作了報告，中央軍委批准了攻打大同的部署，要求“精心計劃，充分準備，堅決奪取之”，並準備殲滅傅作義可能派出的援軍。
就在陽高聯席會議召開前，掃清大同外圍的戰鬥就已經在7 月31日打響。在為時五天的外圍戰中，雖然殲敵2000多人，但打得並不理想，沒有達到預期目的，使敵人退到了近郊和城內，增加了最後攻城的困難。
8 月5 日，參加大同戰役的各部隊按陽高會議的部署，集結兵力進行攻城準備，大同守敵也趁機增修工事，加強防禦措施。
8 月14日夜晚，我軍主力以13個團的兵力，同時向大同近郊和城關的敵據點發起總攻。但由於我軍沒有攻堅經驗，火力不強，僅用手榴彈和梯子攻打敵人碉堡