1937年9月中旬，大同失陷。中國軍隊(duì)退守神池、雁門關(guān)內(nèi)長城一線。 日本關(guān)東軍察哈爾兵團(tuán)一部沿平綏線西段繼續(xù)北進(jìn)，攻略綏遠(yuǎn)，另一部沿同蒲路南下，直趨太原。這時(shí)，配合作戰(zhàn)的華北方面軍第五師團(tuán)也由宣化、涿鹿南下，占領(lǐng)陽原、蔚縣，指向廣靈，企圖搶占平型關(guān)，從滹沱河谷穿過恒山東麓，以大迂回戰(zhàn)術(shù)，直撲忻縣，將恒山地區(qū)中國軍隊(duì)一舉殲滅。
恒山山脈位于山西省東北，是中國第二戰(zhàn)區(qū)的戰(zhàn)略支點(diǎn)。其正面的雁門關(guān)，縱深達(dá)30公里，山巒重疊，地勢險(xiǎn)峻，易守難攻。右側(cè)是寬10至30公里的滹沱河谷，綿延于恒山腳下，是恒山與五臺山聯(lián)系的重要戰(zhàn)略走廊。一旦喪失這條走廊，恒山山脈東麓(中、南段)的寬大正面就暴露無遺，恒山和五臺山地區(qū)的軍隊(duì)即陷于被禁錮的境地。因此，它成為恒山山脈的軍事生命線。而平型關(guān)恰恰位于其北端，如一把大鎖卡住走廊的入口，具有極大的戰(zhàn)略作用。
第二戰(zhàn)區(qū)司令長官閻錫山深知控制平型關(guān)隘口的重要性。為防止日軍沿恒山東麓南侵，他在平型關(guān)方面部署了第十七軍和第三十三軍，以加強(qiáng)防御，隨著戰(zhàn)爭局勢演變，又將位于代縣的第六十一軍和位于繁峙的第二預(yù)備軍調(diào)至大營地區(qū)作為預(yù)備隊(duì)。9月中下旬，日軍第五師團(tuán)相繼占領(lǐng)廣靈、淶源和靈丘，深入內(nèi)長城一線。閻錫山編制了一個(gè)把日軍放進(jìn)平型關(guān)內(nèi)加以圍殲的決戰(zhàn)計(jì)劃，主要方針是：先誘敵深入至砂河以西地區(qū)，然后從恒山和五臺山兩方面發(fā)動(dòng)鉗擊，截?cái)嗥叫完P(guān)要隘，殲滅敵軍于滹沱河上游盆地內(nèi)。他曾派高參前往平型關(guān)、團(tuán)城口、恒山各方向調(diào)查，并召開軍以上將領(lǐng)的軍事會議。只是由于大同、靈丘失陷后，閻軍各部均已喪失銳氣，內(nèi)長城形勢危如累卵，決戰(zhàn)如遭失敗，戰(zhàn)局將不可收拾。因此，閻錫山在會上提出了決戰(zhàn)方案，不久又自己否決，其他人亦均無見地。
這時(shí)，八路軍副總司令彭德懷陪同周恩來赴太原與閻錫山商談抗戰(zhàn)對策，了解到這一情況后及時(shí)向中共中央作了匯報(bào)。中共中央認(rèn)為，閻錫山已經(jīng)處于不打一仗則不能答復(fù)山西民眾，打一仗則毫無把握的矛盾中。八路軍應(yīng)該立即參戰(zhàn)，以堅(jiān)定閻錫山抗日的決心。在中國共產(chǎn)黨幫助下，閻錫山?jīng)Q定保衛(wèi)晉北要地，將平綏沿線后撤之晉綏軍和中央軍一部在平型關(guān)、雁門關(guān)、神池一線加強(qiáng)防御，并尋找有利時(shí)機(jī)與日軍決戰(zhàn)。彭、閻商定，派王靖國和陳長捷兩軍分守平型關(guān)和茹越口，以另一軍守雁門關(guān)；八路軍一一五師出五臺、靈丘、蔚縣地區(qū)，隱蔽集結(jié)在敵前進(jìn)道路兩側(cè)，待敵進(jìn)攻平型關(guān)時(shí)，從敵側(cè)后發(fā)起進(jìn)攻；一二○師布防于晉西北地區(qū)，待敵進(jìn)攻雁門關(guān)時(shí)，也從側(cè)翼發(fā)動(dòng)進(jìn)攻。①
9月21日，日軍第五師團(tuán)一部在第二十一旅團(tuán)長三浦敏事少將督率下沿靈丘—大營鎮(zhèn)公路向西攻擊前進(jìn)。22日，該部在蔡家峪附近先后與新編第十一團(tuán)和第八十四團(tuán)兩個(gè)營相遇。激戰(zhàn)半日，中國軍隊(duì)撤退。隨后， 日軍抵達(dá)平型關(guān)與守軍獨(dú)立第八旅一部展開對攻戰(zhàn)，陣地失而復(fù)得者數(shù)次。23日晨，日軍以戰(zhàn)車數(shù)十輛掩護(hù)步兵，沿公路兩側(cè)發(fā)動(dòng)進(jìn)攻。中國守軍兩個(gè)連殊死抵抗，經(jīng)數(shù)度苦戰(zhàn)，終因后援不繼而全部犧牲。翌日，獨(dú)立第八旅六二三團(tuán)主力趕到，奮力擊退日軍，奪回了丟失的陣地。
這時(shí)，占領(lǐng)渾源的日軍第二十一聯(lián)隊(duì)也加入了平型關(guān)方面的戰(zhàn)斗。21日，該部主力經(jīng)小道溝、西河村向大營西北地區(qū)進(jìn)攻，企圖截?cái)嗥叫完P(guān)中國守軍的退路。23日晨，日軍一部繞蔡家峪轉(zhuǎn)攻團(tuán)城口，遭到第十七軍五○二團(tuán)阻擊。雙方相持之際，日軍迂回至東西跑池南北高地，發(fā)起進(jìn)攻。中國守軍兩個(gè)連全部殉國。右戰(zhàn)區(qū)副總司令孫楚急令第十七軍和第七十三師派兵增援。經(jīng)過一番激戰(zhàn)， 日軍被迫撤退，進(jìn)攻團(tuán)城口的日軍也于下午4時(shí)停止了進(jìn)攻。
同日，閻錫山?jīng)Q定實(shí)施其出擊計(jì)劃，委任傅作義為出擊總指揮，并電第八路軍總指揮朱德，希望配合攻擊日軍之側(cè)背。閻的計(jì)劃是：以總預(yù)備隊(duì)中之第七十一師附新編第二師共八個(gè)團(tuán)兵力，由公路以北向東西跑池、小寨間迂回，攻打敵軍右側(cè)背；以八路軍之第一一五師由平型關(guān)東方山地夾擊日軍，斷其后路；以第七十二師和第三十五軍兩個(gè)旅為總預(yù)備隊(duì)。
24日，傅作義率預(yù)備軍兩個(gè)旅到達(dá)平型關(guān)。不料，日軍也增兵5000人，分別向東西跑池、團(tuán)城口等地猛攻。中國軍隊(duì)竟日苦戰(zhàn)、屢挫敵鋒，傷亡頗重。有些陣地經(jīng)過幾番爭奪，最后落入敵手。這時(shí)，八路軍一一五師根據(jù)作戰(zhàn)計(jì)劃趕到平型關(guān)東北山地一帶，向日軍側(cè)后發(fā)起攻擊，使平型關(guān)戰(zhàn)役的形勢發(fā)生了重大的變化。
八路軍一一五師挺進(jìn)晉東北作戰(zhàn)，是根據(jù)中共中央部署，按預(yù)定作戰(zhàn)計(jì)劃實(shí)施的。紅軍改編后，一一五師作為八路軍的先頭部隊(duì)，于8月25日從陜西三原以北地區(qū)出發(fā)，經(jīng)韓城東渡黃河，然后乘火車沿同蒲路北上，經(jīng)太原抵達(dá)原平。三四三旅和獨(dú)立團(tuán)在師長林彪和旅長陳光率領(lǐng)下，經(jīng)繁峙、大營于9月19日抵平型關(guān)東南地區(qū)；師直屬隊(duì)和三四四旅在副師長聶榮臻和旅長徐海東率領(lǐng)下，經(jīng)五臺、龍泉關(guān)、龍王堂到下關(guān)與第三四三旅會合。該師原計(jì)劃按照閻錫山的命令，在廣靈、靈丘地區(qū)阻擊日軍，惟因第三十三軍和第十七軍敗退過于突然，臨時(shí)隱蔽集結(jié)于平型關(guān)以東地區(qū)。23日，師部接到出擊敵人的計(jì)劃，決定利用平型關(guān)東北山地的有利條件，側(cè)面伏擊向平型關(guān)正面進(jìn)攻的日軍。
平型關(guān)位于山西繁峙縣東北，為晉東北交通要沖，其西為恒山，東為太行山。兩山夾谷中縱貫一條大道，即蔚代公路，從靈丘至平型關(guān)共30公里。公路兩端地勢尚平緩，惟小寨村至老爺廟一段，全長4公里地勢十分險(xiǎn)峻：兩山之間夾一深溝，溝深10—30米，寬10—20米。兩側(cè)高山勢如陡壁，進(jìn)入溝內(nèi)的軍隊(duì)、兵力、火器均無法展開，是軍事上伏擊殲敵的良好戰(zhàn)場。
日軍第五師團(tuán)長坂垣深知，通過平型關(guān)這段險(xiǎn)路需要付出重大的代價(jià)。于是，他采取側(cè)翼強(qiáng)攻、逼迫正面的戰(zhàn)術(shù)，以小股部隊(duì)抄小路，插入平型關(guān)左側(cè)后，逆襲關(guān)背，以嚇退正面守軍。20日，坂垣下達(dá)作戰(zhàn)命令：第二十一旅團(tuán)長三浦敏事率三個(gè)大隊(duì)實(shí)施正面進(jìn)攻，第二十一聯(lián)隊(duì)長粟飯?jiān)懵蕛蓚€(gè)大隊(duì)偷襲平型關(guān)側(cè)后。至24日，日軍嚇退駐守在平型關(guān)一帶的中國守軍第十七軍和第三十三軍，占領(lǐng)了團(tuán)城口、鷂子洞、東西跑池一線兩公里正面長城。這時(shí)，日軍一頭堵住平型關(guān)北側(cè)入口，一頭占據(jù)靈丘城，完全控制了靈丘至平型關(guān)的30公里通路。在日軍看來，這條公路自然是一個(gè)安全地帶。
然而，恰恰這30公里的通道，是戰(zhàn)場上的一個(gè)巨大縫隙。八路軍一一五師巧妙地利用了這一縫隙，在日軍完全無備的情況下打了一場漂亮的戰(zhàn)斗。
一一五師抵達(dá)預(yù)定地區(qū)后，立即進(jìn)行了戰(zhàn)斗部署：以三四三旅擔(dān)任小寨村至老爺廟地區(qū)主要伏擊任務(wù)；以三四四旅六八七團(tuán)在東河南至韓家灣一線阻敵援軍；以師屬獨(dú)立團(tuán)和騎兵營前出到靈丘至淶源間活動(dòng)，破壞敵之交通運(yùn)輸；以六八八團(tuán)為預(yù)備隊(duì)。
24日夜，一一五師官兵冒雨潛入預(yù)定戰(zhàn)場設(shè)伏。至25日清晨，第三四三旅進(jìn)入陣地，在小寨村、老爺廟、關(guān)溝一線公路南側(cè)隱蔽待敵。但控制公路兩端的老爺廟高地為公路北側(cè)之制高點(diǎn)，未來得及埋伏兵力，只待戰(zhàn)斗打響后搶占。
25日上午，日軍坂垣師團(tuán)第二十一旅團(tuán)二十一聯(lián)隊(duì)之第三大隊(duì)，攜帶輜重，由靈丘向平型關(guān)開進(jìn)。從小寨至老爺廟之間的公路上，日軍將八十余輛載重汽車、百余輛馬車聯(lián)成一線。車上約千余名日軍，后面跟隨少數(shù)騎兵押送車輛，由東而西逶迤而行。由于雨后道路濕滑，車馬簇?fù)恚羞M(jìn)非常緩慢。 自侵華以來， 日軍連戰(zhàn)皆捷，養(yǎng)成驕橫自負(fù)之氣，大搖大擺，毫無防范。他們既不派尖兵探路，也不在公路左右派搜索隊(duì)警戒?！拔抑髁Σ筷?duì)已進(jìn)而切斷敵由南至北之交通線時(shí)，敵尚未發(fā)覺，直至我方射擊，敵才知道?！雹?0時(shí)許，敵前衛(wèi)已出了老爺廟溝口伸向辛莊，后衛(wèi)已過小寨村，蔡家峪以東不見敵蹤。 日軍全部進(jìn)入一一五師的伏擊圈。
這時(shí)，隱蔽在白崖以西的第六八五團(tuán)兩個(gè)營從溝關(guān)一線突然殺出，將日軍堵在辛莊以東，隨即沖上公路，與日軍展開廝殺。聽到槍聲，埋伏在白崖以東的該團(tuán)第三營迅速沖過公路，搶占了老爺廟制高點(diǎn)，將日軍截為兩段。日軍后衛(wèi)全被壓在溝底。與此同時(shí)，埋伏于公路右側(cè)上沿的中國軍隊(duì)向溝底日軍發(fā)起全線攻擊。剎那間，步槍、手槍、機(jī)關(guān)槍的射擊聲、手榴彈的爆炸聲響成一片，巨大的喊殺聲震撼山谷。被壓在溝底的日軍像被驚動(dòng)的野獸，東沖西突，指揮失控。在猛烈的火力射殺下，日軍紛紛斃命。一部分日軍拼命向出口處竄聚，也有的日軍利用汽車和水溝頑抗。六八五團(tuán)第五連和六八六團(tuán)第一連戰(zhàn)士率先沖上公路與日軍展開白刃格斗，其他部隊(duì)也迅速沖殺上去，公路上槍托飛舞，馬刀閃光，刺刀發(fā)紅，吼殺聲、槍擊聲、爆炸聲，雜亂地?cái)嚦梢粓F(tuán)。此時(shí)日機(jī)飛臨戰(zhàn)場上空支援陸地作戰(zhàn)，因雙方展開近戰(zhàn)，無法發(fā)揮其作戰(zhàn)效能。
在戰(zhàn)斗中，老爺廟的爭奪十分激烈。八路軍占領(lǐng)老爺廟以后，從公路南北兩側(cè)，居高臨下猛擊溝底的日軍，完全掌握了戰(zhàn)斗的主動(dòng)權(quán)。 日軍醒悟到老爺廟的重要地位，遂向老爺廟連續(xù)發(fā)動(dòng)沖鋒，以求尋找生路。八路軍戰(zhàn)士以手榴彈、步槍還擊敵人。在老爺廟前約四十米斜坡上，敵我反復(fù)爭奪了兩個(gè)多小時(shí)， 日軍終于不支，丟掉數(shù)百名死傷者退下坡去。
日軍攻打老爺廟未逞，遂改變突圍方向，沿公路向西逃竄，意在經(jīng)辛莊與團(tuán)城口方面的日軍合攏。這時(shí)，八路軍一一五師預(yù)備隊(duì)六八八團(tuán)也攻上來，將日軍團(tuán)團(tuán)包圍。日軍被打得爬到汽車底下，仍然頑抗。一一五師官兵從四面八方向殘敵殺去。戰(zhàn)士們與日軍展開肉搏。有的戰(zhàn)士負(fù)了傷，就和敵人扭在一起，用腳踢，用牙咬，甚至拉響了手榴彈與敵人同歸于盡。經(jīng)過三個(gè)多小時(shí)激烈戰(zhàn)斗，一一五師將辛莊、老爺廟、小寨村一線山谷中的敵人大部殲滅?！榜R路上、山溝里，半山上所有望得見的地方，再沒有活著的敵人”,看得見的只是陣亡的尸體。昔日耀武揚(yáng)威的太陽旗也被胡亂丟在地上，象征著“皇軍不可戰(zhàn)勝”的神話的破滅。
八路軍殲滅日軍第五師團(tuán)二十一旅團(tuán)的補(bǔ)給部隊(duì)后，繼續(xù)向東西跑池的日軍發(fā)動(dòng)攻擊。至晚， 占領(lǐng)東西跑池以北的1886.4高地和東跑池以南的陣地。只是由于其他友軍缺乏配合，未能全殲東西跑池的日軍。
日軍第五師團(tuán)長坂垣征四郎得知第二十一旅團(tuán)一部在平型關(guān)被圍，急派駐蔚縣的日軍增援。26日，增援日軍到達(dá)平型關(guān)附近，立即投入戰(zhàn)斗。同時(shí)，日軍第二混成旅團(tuán)也由大同南下，經(jīng)渾源趕到平型關(guān)北側(cè)團(tuán)城口。八路軍第一一五師經(jīng)一晝夜作戰(zhàn)，已傷亡六百余人，極待休整，遂撤出戰(zhàn)斗。
平型關(guān)一戰(zhàn)，八路軍消滅日軍一千余人，擊毀敵人汽車八十余輛，繳獲九二式步兵炮一門，步槍三百余支，機(jī)槍二十余挺，山炮彈三千余發(fā)和大批軍用品，給進(jìn)攻之?dāng)骋杂辛Φ拇驌?，取得了抗?zhàn)爆發(fā)以來，中國軍隊(duì)的第一個(gè)真正的勝利。