1937年9月20日，日军第5师团第21旅团三浦敏事少将率兵攻占灵丘县城后，于21日突然南下，向国民党军第17军防守的团城口发起袭击。
22日，日军21旅团2000余人攻击东跑池西北高地，国民党军官兵在此拼死抵抗。
东跑池是平型关正面的防御要点，只要东跑池失守，日军距离平型关就近在咫尺了，于是八路军总指挥朱德、副总指挥彭德怀向115师下达了命令:“115师应即向平型关、灵丘间出动，机动侧击向平关进攻之敌。”
平型关战役地图
于是第115师343旅立即由大营镇向平型关东南面的上寨镇地区隐蔽集结，与此同时，第115师副师长聂荣臻也率领344旅和师司令部从五台山绕小路赶到了上寨镇与林彪会合。
1937年9月23日，在距离平型关东南10公里的上寨镇，林彪和聂荣臻召开了全师连以上干部会议，会上林彪与聂荣臻下达了作战部署，以343旅的两个团为主攻，344旅一个团在平型关北面断敌退路。
与此同时，国民党第二战区第6集团军为配合115师作战，向平型关以东的日军出击。
平型关到关沟到东河南镇一条弯弯曲曲10余公里长的公路上，靠南侧的山地边缘上隐伏着八路军第115师大半主力，第343旅686团位于白崖台附近，左侧是685团，右侧是344旅687团，口袋底则是晋军的独立8旅，687团断敌退路，并负责打援，688团为预备队。
当时之所以要采用这样的兵力部署，主要目的是要拦截敌之先头，切断敌之退路，实施中间突击，分割歼敌，这样做既可保证在伏击敌人时兵力上的优势，又保证有足够阻击援敌的兵力。
为了隐蔽行动，发挥作战的突然性，林彪命令各参战部队于25日零时出发，趁着夜幕进入平型关伏击阵地，并要求各部队于第二天拂晓前完成各项作战准备。
林彪
但是天公不作美，当晚平型关一带正下着秋雨，山区入夜就更加寒冷了，身着夏装的八路军战士们迎风冒雨急行军，衣服湿透了，只能靠自己的体温把衣服烘干。
9月25日清晨，在林彪与聂荣臻的指挥下，八路军第115师已经在平型关两侧的伏击阵地上做好了准备隐蔽待机，这时跑马池的方向传来了汽车的马达声，日军第5师团第21旅团主力和师团辎重部队向平型关八路军第115师的口袋阵里开进。
当看着小鬼子们一个个进入视线，又一个个远去的时候，隐蔽在山地上的687团的战士们心里别提多急了，但进攻命令还没下，谁也不敢轻举妄动，前面说了115师在这布置的是一个口袋阵，685团负责日军的先头部队，686团负责中段的猛攻，而687团负责切断敌军退路，115师指挥所这是在等，等敌军全部进入伏击圈。
9月25日早上七点左右，日军已经全部进入第115师预伏地域，车马连成一线，马达声和马蹄声充斥在山沟间。
聂荣臻
战斗一开始，日军最前面的几辆汽车就被击毁，堵死了狭隘的出口，紧接着后面的汽车也中弹起火，整个车队拥挤在山谷里动弹不得，115师师长林彪迅速调整战术，命令部队冲下沟道公路，将敌人切成几段分段歼灭。
当平型关战役打响后不久，两架日军飞机就顺着公路飞临战场上空加入了战斗，为了减少伤亡发挥近战特长，林彪命令各部队尽量与敌人混打在一起，使日军飞机难以进行轰炸和扫射，于是115师的战士们同日军展开了一场异常激烈残酷的白刃战。
就在战斗进行到白热化的时候，115师指挥所突然发现一股日军正在拼命抢夺伏击阵地对面山上的最高处老爷庙制高点。
老爷庙
老爷庙这个制高点，对于夺取平型关战斗的胜利至关重要。一旦日军得手，他们不仅可以居高临下进行攻击，更重要的是，老爷庙的东部有一条沟，通往大小寒水岭，日军完全可以由这里突围。
于是林彪与聂荣臻当即下令，686团团长李天佑要不惜一切代价抢占老爷庙制高点。
686团3营的战士们一路冲锋，率先抢占了老爷庙制高点，把日军压缩在平型关峡谷之中，可这时的日军已经被逼到了绝境，老爷庙制高点是他们最后的希望，伤亡惨重的日军疯狂地向老爷庙反扑，与686团3营展开了惨烈的厮杀。
在八路军115师战士的记忆中，老爷庙高地的争夺战是平型关大捷中最惨烈的一幕，他们是红军战士中的精英，在长征的艰难困苦中百经历练，最后把一腔热血洒在了平型关，115师686团经过一番激战，最终牢牢占据了老爷庙的制高点。
老爷庙争夺战遗址
为解救被围的日军，板垣征四郎急令第5师团在蔚县、涞源的部队向平型关增援，但被115师独立团和骑兵营顽强阻击于灵丘以北和以东地区，并在腰站地区毙伤日军近400多人，有力地保证了平型关伏击战的最后胜利。
战至1937年9月25日下午一点，八路军115师歼灭日军1000余人，击毁汽车100余辆，缴获大量武器和军用物资，八路军大捷，取得了全国抗战以来第一个歼灭战胜利，打击了日军的嚣张气焰，打破了日军不可战胜的神话，然而由于国民党军没有按计划出击，致使东跑池和团城口的日军夺路而逃，丧失了取得更大战果的机会。
在685团团长杨得志的回忆录中曾这样描述平型关战役:“平型关是英雄关，因为它是用我们先烈的鲜血洗染过的，平型关是胜利关，它记载着中国人民抗击日寇第一次的伟大胜利！”
这张照片是1937年9月26日，平型关战斗胜利后拍摄的，原件现存于中央档案馆，战士们手上拿着缴获的日军国旗和武器装备，胜利的喜悦之情溢于言表。
战争取得胜利
据七七事变77天后的平型关胜利，给1937年秋天留下的不仅仅是斩杀日军1000余人的一次战斗捷报，而是让每一名匍匐在战壕里的东北军、西北军、中央军兄弟，每一名等待冲锋号声响起的第115师、120师、129师热血儿男在心底埋下了一颗胜利的种子。
胜利源自内心深深的渴望，抗战胜利亟待四万万五千万同胞的心心相系，同气、同声、同力、同仇敌忾！
面对疯狂的日军，在国民党军节节后退的形势下，八路军首战告捷，打击了日军的气焰，挫伤了日军的锐气，打破了日军不可战胜的神话。