1937年9月20日，日軍第5師團第21旅團三浦敏事少将率兵攻占靈丘縣城後，于21日突然南下，向國民黨軍第17軍防守的團城口發起襲擊。
22日，日軍21旅團2000餘人攻擊東跑池西北高地，國民黨軍官兵在此拼死抵抗。
東跑池是平型關正面的防禦要點，隻要東跑池失守，日軍距離平型關就近在咫尺了，于是八路軍總指揮朱德、副總指揮彭德懷向115師下達了指令:“115師應即向平型關、靈丘間出動，機動側擊向平關進攻之敵。”
平型關戰役地圖
于是第115師343旅立即由大營鎮向平型關東南面的上寨鎮地區隐蔽集結，與此同時，第115師副師長聶榮臻也率領344旅和師司令部從五台山繞小路趕到了上寨鎮與林彪會合。
1937年9月23日，在距離平型關東南10公裡的上寨鎮，林彪和聶榮臻召開了全師連以上幹部會議，會上林彪與聶榮臻下達了作戰部署，以343旅的兩個團為主攻，344旅一個團在平型關北面斷敵退路。
與此同時，國民黨第二戰區第6集團軍為配合115師作戰，向平型關以東的日軍出擊。
平型關到關溝到東河南鎮一條彎彎曲曲10餘公裡長的公路上，靠南側的山地邊緣上隐伏着八路軍第115師大半主力，第343旅686團位于白崖台附近，左側是685團，右側是344旅687團，口袋底則是晉軍的獨立8旅，687團斷敵退路，并負責打援，688團為預備隊。
當時之是以要采用這樣的兵力部署，主要目的是要攔截敵之先頭，切斷敵之退路，實施中間突擊，分割殲敵，這樣做既可保證在伏擊敵人時兵力上的優勢，又保證有足夠阻擊援敵的兵力。
為了隐蔽行動，發揮作戰的突然性，林彪指令各參戰部隊于25日零時出發，趁着夜幕進入平型關伏擊陣地，并要求各部隊于第二天拂曉前完成各項作戰準備。
林彪
但是天公不作美，當晚平型關一帶正下着秋雨，山區入夜就更加寒冷了，身着夏裝的八路軍戰士們迎風冒雨急行軍，衣服濕透了，隻能靠自己的體溫把衣服烘幹。
9月25日清晨，在林彪與聶榮臻的指揮下，八路軍第115師已經在平型關兩側的伏擊陣地上做好了準備隐蔽待機，這時跑馬池的方向傳來了汽車的馬達聲，日軍第5師團第21旅團主力和師團辎重部隊向平型關八路軍第115師的口袋陣裡開進。
當看着小鬼子們一個個進入視線，又一個個遠去的時候，隐蔽在山地上的687團的戰士們心裡别提多急了，但進攻指令還沒下，誰也不敢輕舉妄動，前面說了115師在這布置的是一個口袋陣，685團負責日軍的先頭部隊，686團負責中段的猛攻，而687團負責切斷敵軍退路，115師指揮所這是在等，等敵軍全部進入伏擊圈。
9月25日早上七點左右，日軍已經全部進入第115師預伏地域，車馬連成一線，馬達聲和馬蹄聲充斥在山溝間。
聶榮臻
戰鬥一開始，日軍最前面的幾輛汽車就被擊毀，堵死了狹隘的出口，緊接着後面的汽車也中彈起火，整個車隊擁擠在山谷裡動彈不得，115師師長林彪迅速調整戰術，指令部隊沖下溝道公路，将敵人切成幾段分段殲滅。
當平型關戰役打響後不久，兩架日軍飛機就順着公路飛臨戰場上空加入了戰鬥，為了減少傷亡發揮近戰特長，林彪指令各部隊盡量與敵人混打在一起，使日軍飛機難以進行轟炸和掃射，于是115師的戰士們同日軍展開了一場異常激烈殘酷的白刃戰。
就在戰鬥進行到白熱化的時候，115師指揮所突然發現一股日軍正在拼命搶奪伏擊陣地對面山上的最高處老爺廟制高點。
老爺廟
老爺廟這個制高點，對于奪取平型關戰鬥的勝利至關重要。一旦日軍得手，他們不僅可以居高臨下進行攻擊，更重要的是，老爺廟的東部有一條溝，通往大小寒水嶺，日軍完全可以由這裡突圍。
于是林彪與聶榮臻當即下令，686團團長李天佑要不惜一切代價搶占老爺廟制高點。
686團3營的戰士們一路沖鋒，率先搶占了老爺廟制高點，把日軍壓縮在平型關峽谷之中，可這時的日軍已經被逼到了絕境，老爺廟制高點是他們最後的希望，傷亡慘重的日軍瘋狂地向老爺廟反撲，與686團3營展開了慘烈的厮殺。
在八路軍115師戰士的記憶中，老爺廟高地的争奪戰是平型關大捷中最慘烈的一幕，他們是紅軍戰士中的精英，在長征的艱難困苦中百經曆練，最後把一腔熱血灑在了平型關，115師686團經過一番激戰，最終牢牢占據了老爺廟的制高點。
老爺廟争奪戰遺址
為解救被圍的日軍，闆垣征四郎急令第5師團在蔚縣、涞源的部隊向平型關增援，但被115師獨立團和騎兵營頑強阻擊于靈丘以北和以東地區，并在腰站地區斃傷日軍近400多人，有力地保證了平型關伏擊戰的最後勝利。
戰至1937年9月25日下午一點，八路軍115師殲滅日軍1000餘人，擊毀汽車100餘輛，繳獲大量武器和軍用物資，八路軍大捷，取得了全國抗戰以來第一個殲滅戰勝利，打擊了日軍的嚣張氣焰，打破了日軍不可戰勝的神話，然而由于國民黨軍沒有按計劃出擊，緻使東跑池和團城口的日軍奪路而逃，喪失了取得更大戰果的機會。
在685團團長楊得志的回憶錄中曾這樣描述平型關戰役:“平型關是英雄關，因為它是用我們先烈的鮮血洗染過的，平型關是勝利關，它記載着中國人民抗擊日寇第一次的偉大勝利！”
這張照片是1937年9月26日，平型關戰鬥勝利後拍攝的，原件現存于中央檔案館，戰士們手上拿着繳獲的日軍國旗和武器裝備，勝利的喜悅之情溢于言表。
戰争取得勝利
據七七事變77天後的平型關勝利，給1937年秋天留下的不僅僅是斬殺日軍1000餘人的一次戰鬥捷報，而是讓每一名匍匐在戰壕裡的東北軍、西北軍、中央軍兄弟，每一名等待沖鋒号聲響起的第115師、120師、129師熱血兒男在心底埋下了一顆勝利的種子。
勝利源自内心深深的渴望，抗戰勝利亟待四萬萬五千萬同胞的心心相系，同氣、同聲、同力、同仇敵忾！
面對瘋狂的日軍，在國民黨軍節節後退的形勢下，八路軍首戰告捷，打擊了日軍的氣焰，挫傷了日軍的銳氣，打破了日軍不可戰勝的神話。