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天早晨，距离赵光义破城的最后期限越来越近，宋军将士们在重大的压力之下爆发出惊人的斗志，士兵们发疯一样地涌向城墙，如同欧美丧尸片。赵光义却突然下令后撤，史官解释说是因为赵光义怕这批杀红眼的将士会屠城。
激战多日的战场忽然变得一片死寂，带给守军毛骨悚然的窒息感。北汉退休宰相、枢密使马峰已经病入膏肓，卧床久矣，他让人把自己抬进宫中觐见刘继元。马峰边哭边向刘继元分析利害，劝他不要执迷不悟。经过一番权衡之后，刘继元终于决定投降。
当天晚上，刘继元派外交部长（客省使）李勋出城献上降书顺表。赵光义赐给李勋袭衣金银等礼物，派通事舍人薛文宝持诏书入城宣谕抚慰，随后登上城北的城门楼，大宴群臣，接受投降。
次日黎明，刘继元率领文武百官，身穿素服纱帽，在城门楼下待罪。赵光义下令释罪登台，让刘继元上来聊聊。
踏着沉重的脚步，楼梯是那么的漫长。刘继元登楼，跪地磕头，“说出来你可能不信……臣听说陛下莅临敝城，就想负荆请罪、开城投降，之所以让陛下风餐露宿多日，还敢冒犯天朝军威，全是因为女干臣怕死，胁迫绑架我，使我不能早降……”
赵光义表示理解，“那些女干臣在哪儿？”
很快，这些“女干臣”全被抓来，赵光义下令全部斩首。看着城下的尸山血海，赵光义扭头对随驾而来的钱弘俶说道：“你能保全一方归于我，使两浙生灵免遭此祸，实在是大功一件！”
有部分史料（如《九国志》）记载，在这场围太原攻坚战中，赵光义还使用了水攻，即决汾河，水淹太原。但正史和实录中并未记载，我个人认为很可能是把太祖“三征北汉”时的水攻混淆。
随着刘继元的投降，盘踞在河东太原府的北汉割据政权宣告灭亡，大宋收复河东一军、十州、四十一县、三万五千二百二十户、三万兵。