1937年9月3日，賀龍師長率領八路軍第120師8200餘人過黃河出征山西。根據軍委的戰略規劃，訓示賀龍第120師開赴晉西北管涔山地區，并向大同、綏遠遊擊；林彪第115師轉入恒山山脈南段，并逐漸南移，展開于太行、太嶽山脈中；劉伯承第129師向黃河邊集結，于适當時候進入晉西呂梁山脈，獨立自主，放手發展。
接到八路軍總部轉發的訓示後，賀龍與關向應、蕭克等師首長進行了商議，決定師主力開赴晉西北，監視從大同、雁北方向南下的日軍，伺機打擊敵人。為掌握主動，除王震率359旅717團暫受八路軍總部調遣外，将全師剩下的兵力分成兩部行動：由358旅716團團長宋時輪率領一個900餘人的支隊，深入雁北後方敵占區去打遊擊，遲滞日軍向神池、甯武方向的進攻；師主力分别前往朔縣、甯武地區牽制日軍，尋機殲敵。
就在第120師主力向晉西北展開之時，第二戰區組織的忻口會戰打響，山西局勢極度緊張。奉八路軍總部指令，賀龍将手上的全部人馬撒開，沿雁門關至忻口、繁峙至忻口的兩條線路上主動出擊，截斷日軍運輸線，配合忻口正面友軍作戰。
宋時輪支隊北上後，由賀炳炎繼任358旅716團團長，與政委廖漢生奉命帶2個營去雁門關襲擊日軍交通線。賀炳炎9歲時投到武當山清道長門下學習淩霄劍法，後改學玄虛刀法，因而練就了一身好刀術。他16歲在湘鄂邊加入賀龍上司的紅4軍，作戰英勇，多次負傷，從戰士升到了師長。
在紅二、六軍團北上長征途中，身為紅5師師長的賀炳炎率部隊為全軍開路。經過瓦屋塘惡戰，賀炳炎平生第6次負傷，右臂被炮彈炸成粉碎性骨折。因戰事緊急，醫生隻能用一把伐木頭的舊鋸子消毒後給他截肢。賀炳炎不打嗎啡，嘴咬毛巾硬挺，經受了3個小時地獄般的手術，讓旁邊的醫護人員敬佩不已。賀龍親自來看望賀炳炎，并收藏了兩塊從賀炳炎胳膊上鋸下來的碎骨。這成為了後來賀龍給部隊作戰鬥動員的生動教材：“看，這就是鐵漢賀炳炎的骨頭！”
賀炳炎和廖漢生率部進至雁門關後，勘察了地形，決定在關南側黑石頭溝公路西側高地設伏。10月18日，716團伏擊了一支由北向南開進的滿載兵員、彈藥的日軍車隊。經過激烈戰鬥，擊毀汽車20餘輛，消滅日軍約300人。由于另一路日軍恰巧趕到，716團遂主動撤出了戰鬥。兩天後，賀炳炎和廖漢生率716團于同一地區切斷公路，并進占了雁門關。10月21日，716團又伏擊了一支由百餘輛汽車組成的日軍車隊。因日軍這次有了準備，防守嚴密，又有5架飛機支援作戰，716團久攻不下，雙方陷入拉鋸戰。在殺傷一部敵人後，716團适時撤出了戰鬥。
賀炳炎、廖漢生指揮716團在雁門關以南的兩次伏擊戰，共殲滅日軍500餘人，擊毀汽車20餘輛，一度切斷了日軍由大同經雁門關至忻口的後方補給線。戰鬥中賀炳炎獨臂上陣，揮刀沖殺，并手刃日軍一名，不愧為猛将風采。該部的出色表現受到了第120師和八路軍總部的嘉獎，國民政府軍事委員會也發來了嘉獎令。在2005年拍攝的電影《太行山上》中，梁家輝飾演賀炳炎，手揮骷髅大刀左劈右砍，日軍是沾着死碰着亡，那叫一個威風！對此梁家輝非常自豪，對來采訪的記者說：“我演的是八路軍團長！”