八路軍打的第一個大勝仗平型關大捷，殲敵上千，似乎戰果并不是很大，意義卻着實不小，因為平型關大捷不是孤立的戰鬥，而是一次大規模戰役的一部分，正是平型關大捷阻止了日軍的進犯，讓全民抗日信心倍增。
七七事變僅兩個月，侵華日軍的兵鋒便已指向山西，讓山西土皇帝、第二戰區長官閻錫山坐立不安。日軍的兵力其實并不多，隻有闆垣征四郎第5師團，閻錫山坐擁十幾萬大軍，卻處處設防，能夠用于抵禦日軍的兵力反而不多。
閻錫山在日本念過軍校，深知自己的軍隊絕非對手，但他不甘心，也不敢做漢奸，不得不放棄獨霸山西的政策，允許中央軍和八路軍入晉參戰。閻錫山稱自己的是三個雞蛋上跳舞，一個也不能踩碎。
平型關是山西北部的一個重要隘口，閻錫山計劃利用此處的險要地形阻擊日軍，由湯恩伯的中央軍和傅作義的晉軍共同組織防禦，由紅軍改編而來的八路軍也将投入此次作戰。
《抗日戰争正面戰場檔案全紀錄》記載：閻錫山請周恩來拟訂第二戰區的作戰計劃，周用一天的時間就寫出來了。閻看後吃驚地說：“宣的這樣快，這樣好！如能這樣打，中國必勝。”他用贊歎的口氣說：“周先生的确是個人才，國民黨是沒有你這樣的人才的。”
在周恩來的提議下，第二戰區開始動員群眾，實行全面抗戰。周恩來還會見傅作義，将中共的許多抗日理念講給他聽，傅作義的部隊後來被人戲稱為“七路半”，隻比八路軍少半路，與這段時間的經曆有很大關系。
平型關會戰是以中央軍和晉軍守衛平型關的正面防線，八路軍深入敵後伏擊日軍運輸線，切斷日軍補給，進而瓦解其攻勢。第二戰區動用的兵力是第13、15、33軍，日軍主力是闆垣師團的第21旅團。
9月22日，第21旅團向平型關發起進攻，該部有5個步兵大隊和1個山炮大隊，兵力超過五千，還能得到飛機的支援。中國守軍實際參戰的不過3個師，分散在各個陣地上，因而使日軍每戰都形成優勢兵力。
晉軍打得很艱苦，但是在抗日殺敵思想的鼓勵下，終于将日軍打退，第33軍有兩個連全體犧牲，沒有一個逃跑或投降。一天下來，日軍的進展有限，主要陣地仍然在中國軍隊手中。
闆垣征四郎在23日向前線增兵，加快第21旅團的攻擊速度。閻錫山也派傅作義率兩個旅增援一線，雙方膠着在一起，打得難解難分，為了減輕正面防線的壓力，第二戰區要求八路軍第115師盡快投入戰鬥。
第115師早在9月中旬便已到達平型關，正副師長林彪和聶榮臻經過實地偵察，把平型關至靈丘縣的一條溝道作為預設戰場，日軍每天都會從靈丘運輸物資給平型關一線，消滅運輸車隊，就能使日軍成為無米之炊。
25日淩晨，第343旅星夜出發，趕到白崖台一線埋伏，第344旅緊随其後。據聶榮臻的回憶，這天夜裡雨下得很大，戰士們既無雨衣，又缺禦寒的服裝，隻好任憑秋雨濕透征衣。
眼看快到白崖台了，卻遇上了山洪暴發，湍急的洪水把路沖斷，甚至把幾名戰士沖走。師部隻好讓來不及過河的第344旅688團留在後面當預備隊，隻帶着第343旅和687團上陣。
黃土高原到處都是裂溝，這條公路修在大裂溝的底部，大部分路段隻能通行一輛卡車，隻有極少數地方可以錯車，而八路軍埋伏在裂溝兩側的平台上，居高臨下是個打埋伏的好地方。
天剛亮，日軍的車隊便出現在公路盡頭，走近了才看清有兩支隊伍，一支汽車隊和一支大車隊，汽車上坐着荷槍實彈的日本兵，200多輛大車裝滿各種物資，都是平型關前線日軍急需的。
日軍走得不算很快，又因為路窄，隊伍拉得很長，直到7點鐘才完全進入八路軍的伏擊圈。随着一聲槍響，戰鬥在五公裡的路段上同時爆發，一些車上的日軍還沒有反應過來，便命喪黃泉，其中包括汽車隊的指揮官新莊淳中佐。
自打侵入中國以來，日軍一向驕橫慣了，在他們看來，中國的東北軍、西北軍、中央軍，再到晉軍，都隻會死守陣地，等着皇軍進攻，從來沒人敢于主動進攻。是以，他們的後衛和缁重部隊都很放心大膽，根本沒有作好戰鬥準備。
而新莊淳中佐在第一時間被擊斃，使日軍失去了指揮官，隻好各自為戰，無法形成合力。而大車隊的指揮官橋本順正中佐，也在戰鬥開始不久被八路軍擊斃，日軍就像沒有頭的蒼蠅一樣，在公路上亂竄。
另一方面，林彪選的這個伏擊地點太好了，日軍展不開戰鬥隊形，隻能依托汽車和大車就地進行防禦，完全被壓制在公路上。少數日軍占領了一些小丘包，企圖負隅頑抗。
八路軍彈藥不多，不能糾纏太久，林彪和聶榮臻指令各團發起沖鋒，把日軍分割成幾段，務求盡快結束戰鬥。685團、686團、687團的戰士們一躍而起，呐喊聲沖向公路，先把汽車隊和大車隊分開，然後分别予以消滅。
聽說缁重部隊遇到襲擊，闆垣征四郎立即指令附近據點東跑池的日軍出動，一定要救出汽車隊和物資。汽車對日軍還是比較寶貴的，一個師團也沒多少，如果這兩百輛全部報帳，第5師團的機動能力将大打折扣。
本來阻擊敵人援軍的任務應該由晉軍完成的，但是東跑池的日軍出動後，晉軍一直沒有動作，放任這股敵軍靠近。而包圍圈内的日軍也有與他們會合的意向，使戰鬥變得更加激烈。林彪指令作為預備隊的688團和獨立團，阻擊敵援軍接近，保證圍殲戰鬥的進行。
中午時分，八路軍戰士終于沖上公路，與日軍展開最後的白刃戰。闆垣師團是日本陸軍建立的首批師團之一，官兵的訓練水準相當高，槍法準、拼刺技術高，在與國民黨軍隊作戰時，從沒有吃過虧。
眼看要拼刺刀，這些日本兵兩個一夥、三個一群，居然面無懼色，長期的武士道宣傳已經使他們變成嗜血的殺戮機器，以少對多竟也不落下風。
第115師的八路軍戰士大部分是走過長征的百戰老兵，雖然身體沒有日本兵那樣強壯，但拼刺技術一點也不差，幾個回合下來，把頑抗的日軍全部刺倒。
1937年的日本兵确實非常頑強，躲在汽車底下和道溝裡，就是不肯投降。聶榮臻親眼看到一個日本兵藏在山溝裡，不停地放冷槍，戰士們沖着他大叫“繳槍不殺”，反而被他打傷了幾個人。聶榮臻叫大家丢手榴彈，這才消滅了日本兵。
八路軍戰士都是第一次與日本兵作戰，還按照以前的思維對待敵人，卻遭到了日本兵的反噬。有衛生兵好心給敵人的傷兵包紮，卻被傷兵用刺刀捅死，還有日本傷兵拉響手榴彈，與八路軍戰士同歸于盡。吃了幾次虧後，戰士們紅着眼睛，把不肯投降的敵人統統消滅。
到下午1點多，長達六個小時的戰鬥結束，日軍兩支運輸隊被全殲，公路上到處都是燃燒的汽車殘骸和日軍屍體，不可一世的日軍終于遇到了對手。
《抗日戰争正面戰場檔案全紀錄》記載：八路軍斃敵一千餘人，繳獲敵汽車八十餘輛、九二野炮一門、七三、七五山炮彈三千餘發，步槍三百餘支、機關槍二十餘挺及大批軍用物資。
别的不說，光是這3000發山炮彈，便能大大減輕平型關守軍的壓力，使日軍炮兵無彈可打。據稱繳獲的軍大衣夠第115師人手一件。不過，也正是因為這批軍大衣，師長林彪穿在身上去偵察地形，被晉軍誤以為是日軍将領，一槍擊中胸部，隻好送去蘇聯治傷。
一次斃敵千餘，這是全面抗戰以來少有的大捷，從盧溝橋事變開始，日軍一路攻城掠寨，每次戰鬥的死亡人數少則幾十、多則數百，如果各個地方都能像平型關這樣大量殺傷日軍，一個師團不過2萬多人，又能經得住幾次？
為了提振士氣，統帥部對外界宣傳平型關大捷殲敵三千多，讓全國軍民看到了打敗日軍的希望，同時也讓八路軍成為抗日的焦點，這支由紅軍改編而來的軍隊，即将在抗戰中發揮出更加重要的作用。
日軍戰報一如既往地縮小自己的損失，宣稱隻有219人傷亡，但第21旅團暫停攻勢，從前線抽調部隊保護缁重部隊，等待下一次補給的事實肯定是無法抵賴的。
後世有人前往日本考證，兩支運輸隊遇伏都确有其事，而運輸隊裡編有大量僞蒙軍，是以沒有把他們的傷亡計算在内，就像北韓戰場上的美軍，從來不把在美軍中服役的南韓士兵計入傷亡，侵略者的思路都是一樣的。
事實上，當時八路軍并不知道新莊淳和橋本順正兩名中佐被擊斃，他們的屍體被少數突圍的日軍給帶走了，否則這麼大的戰果不會不公布，直到幾十年後有人翻看日軍舊資料，才發掘出這個史實。