廣靈和靈丘的失守，凸顯出平型關的重要。中國軍隊撤退到平型關一線，扼守日軍從靈丘進攻雁門關側背的必經之路。9月22日，闆垣師團先頭部隊到達平型關，與中國軍隊展開激戰。第二天，闆垣的主力趕到，向公路兩側高地進攻。高地上的中國守軍隻有兩個連，經過一夜苦戰，全部犧牲。24日，傅作義率領兩個旅趕到平型關，與日軍激戰一整天，傷亡慘重，丢失了幾個高地。第二天拂曉，傅作義組織反擊，恰遇日軍發動進攻，反擊部隊無法前進，反被日軍擊退，團城口、鹞子澗等險要陣地被日軍占領。激戰到中午，陳長捷師趕到，中國軍隊趁勢再次反擊，奪回鹞子澗等高地。
視訊連結：1937年平型關戰役，楊勇獨臂堅持作戰，毛主席稱他為“虎将”
這段時間，林彪率八路軍第一一五師先頭部隊第三四三旅進抵大營鎮，迅速派出偵察分隊，查明平型關地區的情況。平型關，是恒山和太行山交接處形成的門戶。兩山夾谷，縱貫一條通道，就是蔚縣至代縣的公路。它從靈丘城伸出，沿唐河河谷西行二十公裡，經東河南鎮，在蔡家峪村脫開河谷，轉向西南平型關山區；再前行兩公裡，從小寨村入狹溝，到老爺廟出口，全長四公裡，溝深十到三十米，寬十到二十米。
“虎将”楊勇
從靈丘到平型關這三十公裡的路段，分為三種地形：靈丘城至蔡家峪村的二十公裡是河谷川道；從蔡家峪村開始，有兩公裡路段的地形變得複雜，尤其是小寨至老爺廟的四公裡路段非常險要；老爺廟至平型關的四公裡路段，地形又變得開闊。顯然，小寨至老爺廟的四公裡，非常适合打伏擊。這一帶地形狹長，進入的部隊和火器都無法展開，攻守兩難，如同鑽進風箱裡的老鼠。
林彪一眼就看中了這個地方。随後，他又帶人來察看這一段地形，發現關溝至東河南鎮十三公裡的地段，溝深路窄，地形非常險要，兩側高地便于隐蔽兵力、發揚火力和展開突擊，是打伏擊的理想戰常種種情報向林彪表明：日軍驕橫狂妄，疏于戒備，利用平型關東北的有利地形設伏，出其不意，殲滅從靈丘向平型關進犯的日軍，配合友軍作戰，是完全可行的。他指令陳光的第三四三旅從大營鎮前進到平型關東南的上寨地區隐蔽集結，進行戰前準備；同時指令正在沿同蒲路北上的第三四四旅迅速向平型關地區靠攏。
八路軍長官勘查地形
制定作戰計劃
22日，闆垣師團三浦敏事的步兵第二十一旅團一部，從靈丘向平型關進犯，占領了東泡池地區。第二天，八路軍總部指令第一一五師向平型關和靈丘之間機動，側擊這股日軍。同一天，聶榮臻帶領徐海東的第三四四旅趕到上寨。他對林彪說，部隊都上來了，要林彪談一談敵情和備戰情況。林彪告訴他：日軍的大隊人馬正向平型關方向運動，這裡地形不錯，可以打一仗。随後，林彪攤開地圖，和幾位參謀一起，把平型關周圍的地形和初步的作戰設想做了介紹，征詢聶榮臻的看法。聶榮臻同意在這裡打一仗。他說：“在這裡居高臨下，伏擊敵人，是很容易的事。全國人民都看着我們，這次必須打好，打出八路軍的威風來，給全國人民的抗日情緒來一個振奮”。
這樣，平型關作戰的初步方案大緻确定下來。但是，第一一五師來不及向上級報告，隻能由前線指揮員定奪了。第一一五師的作戰方案，本來沒有必要向閻錫山通報。當時八路軍劃歸閻錫山的第二戰區，但中共有言在先，八路軍的行動是“獨立自主”的，八路軍進入山西以後的行動，用不着跟閻錫山打招呼，閻錫山有什麼想法，可以直接與太原的八路軍辦事處聯系，或者由八路軍總部轉達。不過，這是國共軍隊第一次共同抗日，出于禮貌，林彪還是派人把作戰計劃通報了閻錫山手下的第三十三軍軍長孫楚。
林彪和聶榮臻于23日在上寨召開了全師連以上幹部會議，進行戰鬥動員。林彪講了師部的決心，指令獨立團和騎兵營在靈丘和涞源方向活動，擾亂日軍後方，牽制和打擊日軍增援部隊；指令陳光旅的兩個團擔任主攻，徐海東旅一個團到平型關北面斷敵退路，一個團作為師的預備隊。攻擊部隊全部在平型關東側山地設伏，準備給日軍以猛烈打擊。會議結束後，師部率主力于當晚開進平型關以東的冉莊和東長城村地域。
運送物資
24日，第二戰區楊愛源的第六集團軍給林彪送來《平型關出擊計劃》，拟定以第七十一師加上新編第二師及獨立第八旅一部，配合第一一五師向平型關以東的日軍出擊。同一天，第一一五師的主要指揮員在林彪和聶榮臻帶領下，再次勘察平型關地區，确定了在平型關東北關溝至東河南鎮道路兩側高地，利用居高臨下便于隐蔽和突擊的地形，采取一翼伏擊的戰術，殲滅從靈丘向平型關進犯的日軍。勘察過程中，更加詳細地規劃了兵力部署，明确了各部隊的具體任務。
他們決定，陳光旅第六八六團占領小寨村至老爺廟以東高地，實施中間突擊，分割殲滅沿公路開進的日軍，然後向東泡池方向發展進攻；第六八五團占領老爺廟南面至關溝地域，阻擊東泡池的日軍回援，然後協同防守平型關的國民黨軍隊，夾擊東泡池日軍；徐海東旅第六八七團占領西村、蔡家峪和東河南鎮以南高地，斷敵退路，并阻擊從靈丘和渾源方向過來增援的日軍；第六八八團為師預備隊。
夜色冒雨埋伏
打伏擊是林彪的拿手好戲。他在紅軍長征途中多次組織伏擊戰，當時國民黨軍隊沒少吃紅一軍團的苦頭。聶榮臻在回憶錄中對林彪的一個評價是“善于組織大部隊伏擊”，現在林彪要在這裡伏擊日軍的一支精銳部隊。
林彪的兵力部署，目的是攔截日軍先頭，切斷日軍退路，實施中間突擊，分割殲敵。他保證了伏擊日軍時在兵力上擁有優勢，又部署了足夠的兵力阻擊日軍增援。為了隐藏作戰意圖，逃避敵軍的偵查，115師決定部隊趁着月色視線暗淡，敵軍不好發現，當天晚上立即進入伏擊陣地。指令陳光旅在0點出發，進入白崖台一線埋伏，徐海東旅随後開進。并要求各部隊于第二天拂曉前完成各項作戰準備。24日夜，部隊開始向作戰地域運動。為了隐蔽，大多數部隊都選擇了最難走的羊腸小道。當晚，天空中烏雲密布，越來越濃，天越來越黑，黑得像是罩了口鍋。不一會兒，瓢潑大雨下了起來。八路軍裝備簡陋，根本沒有雨具提供，每一位戰士身上的單薄軍裝被大雨淋了個透。而最可怕的是大雨後極有可能引起的山洪暴發山體滑坡等災害，有一些部隊要經過河谷，
平時河谷沒有水，一旦下起大雨，很快就會浪濤奔騰。當晚雨很大，河水很快就齊胸深了。戰士們奮不顧身，跳進河水，洪水太急，把一些戰士卷走了。他們當中有些人，是經過二萬五千裡長征來到陝北的老戰士，對日軍作戰是他們多年的宿願，然而眼看就要面對面打日本人了，卻被洪水奪去了生命。任何軍隊作戰，都無法避免非戰鬥減員。這些戰士卻是在戰鬥前幾個小時死于非命，實在令人惋惜。當然八路軍部隊可以選擇讓工兵營先搭建橋梁，然而所需要花費時間過長，隻好打消這個念頭。戰士們隻好把槍和子彈吊在脖子上，手拉手結成一條人鍊，強行渡河。如果洪水不大，這個辦法行得通。可是，最後出發的徐海東旅部分部隊，就被大洪水攔住了。為減少不必要的傷亡，林聶二人下令沒過來的就不再強渡，減少犧牲。
天亮前，楊得志和陳正湘率領的第六八五團與李天佑和楊勇率領的第六八六團，按計劃占領了預定伏擊陣地，迅速完成了伏擊準備。獨立團和騎兵營已于23日分别向平型關東北和東面開進。24日，獨立團在靈丘與涞源之間的腰站與日軍遭遇，擊斃三百多名日軍，為平型關戰鬥開了個好頭。25日，天剛蒙蒙亮，闆垣師團三浦旅團的後衛部隊乘坐一百多輛汽車，攜帶兩百多輛大車的辎重，共計約兩千多人，沿靈丘至平型關的公路一字前行。
日軍坦克部隊
第一一五師的戰士們，在伏擊陣地上警惕地注視着公路。經過一夜冒雨行軍，他們非常勞累，但誰也沒有困意。大戰之前的緊張和興奮，彌漫在陣地上。他們先是聽到了遠處傳來的馬達聲，接着就隐隐約約地看到日軍汽車的影子。汽車越來越近，這才發現後面還有一大溜馬車。頭一輛汽車上插着一面太陽旗，坐着幾十個日本兵，頭戴閃光的鋼盔，身着黃呢大衣，帶刺刀的步槍抱在懷裡。這些軍人裝備精良，侵華以來很少遇到有力的抵抗，在中國的土地上，他們旁若無人，不可一世。這就是闆垣征四郎的部隊。闆垣算得上武士道的代表人物，在日軍中很有些名氣。他選擇平型關作為迂回路線，是因為他知道，這裡是山西與河北交界的地方，是中國守軍比較薄弱的環節。是以，闆垣的部隊在這裡疏于防備。
偵探日軍行動軌迹
戰士們瞪大了雙眼，看着進入伏擊地域的日軍 北上抗日，是八路軍戰士夢寐以求的事情，但這是他們第一次親眼見到日本人，幾乎每個人都瞪大眼睛，想把東洋的對手看個清楚。以前心裡總是想：“日本人到底是什麼樣子呢？”這下他們看清了，小鬼子和咱們長得差不多，黃皮膚黑頭發，倆胳膊倆腿，沒有順風耳也沒有千裡眼，更沒有三頭六臂。大敵目前，戰士們上好刺刀，在槍膛裡壓滿子彈，機槍射手們已經瞄準了目标，隻等着指揮員一聲令下。
正式交戰
７點左右，日軍全部進入伏擊地域。由于道路狹窄，雨後道路泥濘，日軍的車輛人馬擁擠不堪，行動十分緩慢。第一一五師抓住有利戰機，全線突然開火，給日軍以大量殺傷，并乘日軍混亂發起沖擊。日軍最前面的汽車已被打壞着不了火，後邊的汽車、大車和騾馬擠在一起，走不動了。日軍被突如其來的伏擊打暈了，跳下車四處散開。他們大約做夢也沒有想到，會在白天遇上這樣猛烈的打擊。日軍精銳三浦旅團的驚慌失措很快就過去了。這些經過長時間訓練的日軍官兵，本是一支戰鬥力很強的部隊。他們從最初的懵懂中清醒過來，像是一頭餓極了趴在地上休息的狼，看到了獵物的出現立刻迸發出骨子裡的獸性，向着指揮刀所指之處瘋狂沖去。
趕赴前線指揮
執行攔頭和側擊任務的是楊得志的第六八五團。這個團原是紅軍主力部隊，下轄的三個營都有光榮戰史。第一營是朱德從南昌起義帶出來的；第二營是跟着毛澤東參加秋收起義上井岡山的；第三營是黃公略上司的紅三軍的底子。許多戰士都是經過長征的老戰士。第一營營長劉正、第二營營長曾國華和第三營營長梁興初，都是紅軍幹部，當過團一級的上司。當日軍進入伏擊地域後，楊得志團迎頭截擊，首先打亂了日軍隊形。
戰争開打
日軍立刻反應過來，所有人向着制高點瘋狂地殺去。楊得志立即下達軍令“不惜一切代價狙擊鬼子，務必不讓其占領制高點”劉正營的兩個連隊接到指令後，向着山溝溝裡正在向上沖的日軍一頓猛砸猛打，把這股日軍大部分消滅。第四連行動稍慢一步，被日軍搶先占了山頭。連長在沖向山頭時負傷，排長主動站出來指揮部隊兩面夾擊日軍，很快将這部分日軍全殲，再次控制住了制高點。
正當楊得志團與日軍反複争奪制高點時，兩架日機順着公路來回盤旋。但雙方部隊交錯，日機無法掃射和投彈，隻好飛走。最激烈的白刃戰在楊得志團曾國華營和梁興初營的陣地上展開。曾國華營第五連連長曾賢生，外号叫“猛子”。戰鬥打響前，他就鼓動部隊說：“靠我們近戰夜戰的光榮傳統，用手榴彈、刺刀和鬼子幹，讓他們死也不能死囫囵了。”他自己作戰真是夠猛的，發起沖鋒後，以身作則沖在了部隊最前面，看到日軍汽車時，一聲令下全連所有的手榴彈向日軍扔去，不一會就炸毀了日軍20多輛汽車。
接近日軍時，勇猛地和日軍拼刺刀，他一個人刺死十多名日軍。他渾身是傷是血，一群日軍向他逼近，他就拉響最後一顆手榴彈，與日軍同歸于盡連指導員也身負重傷，仍在指揮部隊。排長犧牲了，班長頂替；班長犧牲了，老戰士接替指揮。就這樣，前赴後繼，打到最後，全連隻剩三十多人，還是頑強地打擊日軍。
梁興初營的第九連和第十連，沖上公路後傷亡已經很大，但是依然不顧一切勇往直前，用槍射擊，用刺刀拼殺，用木棍和石頭砸，用一切能用的武器，誓要多殺死幾個小鬼子。李天佑團是側擊的主力。據李天佑戰後回憶，他們團幾乎與楊得志團同時展開攻擊，把擁塞在公路上的日軍打得人仰馬翻。正在戰鬥最為激烈的時候，一個參謀大聲招呼李天佑：“團長！團長！師指揮所通知，要你去一趟”“師首長要我去？好。”
“虎将”楊勇獨臂作戰
當時第一一五師有兩個指揮所，林彪和聶榮臻各負責一個。李天佑去的是林彪的指揮所，就在李天佑團右後側的山坡上，距離約五百米。李天佑一路跑步過去，到師指揮所一看，林彪等人都在，氣氛也不是很緊張，李天佑就放心一些。林彪對他說：“沉着些。敵人比較多，比較強，戰鬥不會馬上就結束的。”然後，又指着硝煙滾滾的戰場說：“看到了嗎？敵人很頑強。”順着林彪手指的方向望去，公路上的日軍正在憑借汽車屏障頑抗，組織兵力搶占有利地形。随後，林彪又說：“你們一定要沖下公路，将日軍一段一段隔開，把日軍死死拖住，不要讓他們凝聚在一起一股腦兒向老爺廟沖去。還要另外派一個營全力搶奪老爺廟這個制高點，然後可以居高臨下。把日軍消滅在山腳下！”
老爺廟位址
李天佑回到團裡，戰鬥更加激烈了。他傳達了師長的訓示。随後，除李天佑以外，幾位團上司都下到營裡去。李天佑指令右側山上的第三營向老爺廟沖擊。山谷中，殺聲震天。八路軍勇猛地向公路沖擊。李天佑在望遠鏡裡看到，八路軍的火力壓不住日軍火力，沖上去的戰士一個又一個倒下。官兵們還是前仆後繼地沖鋒。日軍也不示弱，一部分日軍不久便占領了老爺廟，形勢對李天佑團十分不利。
攻擊繼續進行，八路軍傷亡慘重。李天佑咬咬牙，再次下令：“三營長，不要怕傷亡！猛沖，一定要拿下老爺廟”“是！保證完成任務”周骸賓堅定地回答。“老李，指揮所交給你，我跟三營一起上去。”剛剛回到團部的楊勇對李天佑說，随後便與周骸賓營一起向老爺廟方向沖去。李天佑則組織側翼連隊加緊攻擊，吸引日軍火力，支援第三營沖鋒。
山溝裡硝煙彌漫，響聲震耳欲聾。周骸賓營的官兵們鑽進煙霧，往前跑，往前爬，往前滾，終于沖上了公路，同日軍白刃格鬥。槍托上下飛舞，大刀寒光閃閃。戰士們面對強敵毫不畏懼，奮勇拚殺。在周骸賓營向老爺廟日軍發動進攻的同時，又讓一個排去占領東面公路的小土地廟，依據有利地形，攔截日軍，使其無法攻向山頂。日軍雖然戰鬥力十足，但明顯能看出來不會在山地作戰，不知道山地作戰制高點的重要性，這也不怪他們，畢竟日本隻是個島國，海拔低且地形單一，沒見過我們這種高山，更不知道如何打山地戰。
李天佑團的部分兵力沖過公路，直奔西側的老爺廟。這樣，在第二營的積極支援下，周骸賓營終于占領了老爺廟制高點。就在這時，楊勇突然感到一股巨大的力量向他襲來，把他沖倒在地。他想爬起來，可左臂怎麼也不聽使喚了。身後的通信員驚叫道：“政委，你挂花了”“别喊，這點小傷算什麼”楊勇對通信員說。衛生員過來給楊勇簡單地包紮了一下，他又站在指揮位置上。這是他參加革命以來第三次受傷。
李天佑團占領了老爺廟，從公路兩側居高臨下，日軍的位置完全暴露在八路軍槍口中，彈指間就射殺了幾十個往上沖的日軍。日軍指揮官看着一片片倒地的日本兵，幡然醒悟，這才知道戰局的關鍵在于制高點老爺廟。于是用力地揮着指揮刀，大聲下達指令，指揮部隊去搶奪老爺廟。但是由于前線部隊正在和我軍近身肉搏，無法調動火炮。火力優勢發揮不了，隻有穿着皮鞋的步兵成群地往上爬，在八路軍的火力下傷亡慘重。日軍一次又一次沖擊，一次又一次倒下。這時，日軍飛機飛來，低空盤旋，尋找機會。但交戰雙方靠得太近，日機不敢輕易投彈。
戰鬥進行到中午12點，張天雲的第六八七團從日軍後面攻上來，日軍後部頓時亂了。原來，張雲天一開始就安排了一支部隊，把日軍尾部包圍在西溝村，搶占了高地切斷了日軍退路。被包圍的日軍驚慌失措，準備向北逃竄，卻被早在蔡家峪埋伏的八路軍全殲。随後，又向南配合陳光旅戰鬥。林彪看到全面攻擊的時機到了，發出總攻指令。占據公路兩側的部隊迅速發起沖擊。
先期占領東泡池的日軍一部，回援老爺廟和小寨村的日軍，被楊得志團阻截。闆垣急令蔚縣和涞源的日軍部隊增援平型關，又被楊成武的獨立團和騎兵營阻擊在靈丘北面和東面，并在靈丘東面的腰站斃傷三百多人被圍日軍在六架飛機掩護下，再次猛攻老爺廟及附近高地，也未能得逞。李天佑團集中全力，在兩翼部隊協同下，殲滅了被圍的日軍。1點多，戰鬥以八路軍勝利而告結束。
黃昏，師部指令陳光旅向東泡池的日軍展開攻擊。東泡池約有兩千多名日軍，控制着這裡的高地。這股日軍本是國民黨晉綏軍的攻擊目标，但晉綏軍沒有按預定計劃配合八路軍作戰，緻使日軍敢于集中力量向八路軍側翼攻擊，企圖為老爺廟和小寨村的日軍解圍。在八路軍開始進攻東泡池時，晉綏軍又放棄團城口陣地，這才讓日軍找到一個缺口，及時撤退，否則将會殲滅更多的日軍。
平型關大捷
平型關戰役，戰果累累。八路軍殲滅三浦旅團一千多名日軍，擊毀一百多輛汽車和二百多輛大車，繳獲一門大炮、二十多挺輕重機槍和一千多支步槍，還有三十萬元日币及大量軍用物資。這是中國抗戰開始以來取得的第一次重大勝利，打破了漢奸和親日派“抗戰必亡”、“抗戰必敗”的論調。
戰争勝利