广灵和灵丘的失守，凸显出平型关的重要。中国军队撤退到平型关一线，扼守日军从灵丘进攻雁门关侧背的必经之路。9月22日，板垣师团先头部队到达平型关，与中国军队展开激战。第二天，板垣的主力赶到，向公路两侧高地进攻。高地上的中国守军只有两个连，经过一夜苦战，全部牺牲。24日，傅作义率领两个旅赶到平型关，与日军激战一整天，伤亡惨重，丢失了几个高地。第二天拂晓，傅作义组织反击，恰遇日军发动进攻，反击部队无法前进，反被日军击退，团城口、鹞子涧等险要阵地被日军占领。激战到中午，陈长捷师赶到，中国军队趁势再次反击，夺回鹞子涧等高地。
视频链接：1937年平型关战役，杨勇独臂坚持作战，毛主席称他为“虎将”
这段时间，林彪率八路军第一一五师先头部队第三四三旅进抵大营镇，迅速派出侦察分队，查明平型关地区的情况。平型关，是恒山和太行山交接处形成的门户。两山夹谷，纵贯一条通道，就是蔚县至代县的公路。它从灵丘城伸出，沿唐河河谷西行二十公里，经东河南镇，在蔡家峪村脱开河谷，转向西南平型关山区；再前行两公里，从小寨村入狭沟，到老爷庙出口，全长四公里，沟深十到三十米，宽十到二十米。
“虎将”杨勇
从灵丘到平型关这三十公里的路段，分为三种地形：灵丘城至蔡家峪村的二十公里是河谷川道；从蔡家峪村开始，有两公里路段的地形变得复杂，尤其是小寨至老爷庙的四公里路段非常险要；老爷庙至平型关的四公里路段，地形又变得开阔。显然，小寨至老爷庙的四公里，非常适合打伏击。这一带地形狭长，进入的部队和火器都无法展开，攻守两难，如同钻进风箱里的老鼠。
林彪一眼就看中了这个地方。随后，他又带人来察看这一段地形，发现关沟至东河南镇十三公里的地段，沟深路窄，地形非常险要，两侧高地便于隐蔽兵力、发扬火力和展开突击，是打伏击的理想战常种种情报向林彪表明：日军骄横狂妄，疏于戒备，利用平型关东北的有利地形设伏，出其不意，歼灭从灵丘向平型关进犯的日军，配合友军作战，是完全可行的。他命令陈光的第三四三旅从大营镇前进到平型关东南的上寨地区隐蔽集结，进行战前准备；同时命令正在沿同蒲路北上的第三四四旅迅速向平型关地区靠拢。
八路军长官勘查地形
制定作战计划
22日，板垣师团三浦敏事的步兵第二十一旅团一部，从灵丘向平型关进犯，占领了东泡池地区。第二天，八路军总部命令第一一五师向平型关和灵丘之间机动，侧击这股日军。同一天，聂荣臻带领徐海东的第三四四旅赶到上寨。他对林彪说，部队都上来了，要林彪谈一谈敌情和备战情况。林彪告诉他：日军的大队人马正向平型关方向运动，这里地形不错，可以打一仗。随后，林彪摊开地图，和几位参谋一起，把平型关周围的地形和初步的作战设想做了介绍，征询聂荣臻的看法。聂荣臻同意在这里打一仗。他说：“在这里居高临下，伏击敌人，是很容易的事。全国人民都看着我们，这次必须打好，打出八路军的威风来，给全国人民的抗日情绪来一个振奋”。
这样，平型关作战的初步方案大致确定下来。但是，第一一五师来不及向上级报告，只能由前线指挥员定夺了。第一一五师的作战方案，本来没有必要向阎锡山通报。当时八路军划归阎锡山的第二战区，但中共有言在先，八路军的行动是“独立自主”的，八路军进入山西以后的行动，用不着跟阎锡山打招呼，阎锡山有什么想法，可以直接与太原的八路军办事处联系，或者由八路军总部转达。不过，这是国共军队第一次共同抗日，出于礼貌，林彪还是派人把作战计划通报了阎锡山手下的第三十三军军长孙楚。
林彪和聂荣臻于23日在上寨召开了全师连以上干部会议，进行战斗动员。林彪讲了师部的决心，命令独立团和骑兵营在灵丘和涞源方向活动，扰乱日军后方，牵制和打击日军增援部队；命令陈光旅的两个团担任主攻，徐海东旅一个团到平型关北面断敌退路，一个团作为师的预备队。攻击部队全部在平型关东侧山地设伏，准备给日军以猛烈打击。会议结束后，师部率主力于当晚开进平型关以东的冉庄和东长城村地域。
运送物资
24日，第二战区杨爱源的第六集团军给林彪送来《平型关出击计划》，拟定以第七十一师加上新编第二师及独立第八旅一部，配合第一一五师向平型关以东的日军出击。同一天，第一一五师的主要指挥员在林彪和聂荣臻带领下，再次勘察平型关地区，确定了在平型关东北关沟至东河南镇道路两侧高地，利用居高临下便于隐蔽和突击的地形，采取一翼伏击的战术，歼灭从灵丘向平型关进犯的日军。勘察过程中，更加详细地规划了兵力部署，明确了各部队的具体任务。
他们决定，陈光旅第六八六团占领小寨村至老爷庙以东高地，实施中间突击，分割歼灭沿公路开进的日军，然后向东泡池方向发展进攻；第六八五团占领老爷庙南面至关沟地域，阻击东泡池的日军回援，然后协同防守平型关的国民党军队，夹击东泡池日军；徐海东旅第六八七团占领西村、蔡家峪和东河南镇以南高地，断敌退路，并阻击从灵丘和浑源方向过来增援的日军；第六八八团为师预备队。
夜色冒雨埋伏
打伏击是林彪的拿手好戏。他在红军长征途中多次组织伏击战，当时国民党军队没少吃红一军团的苦头。聂荣臻在回忆录中对林彪的一个评价是“善于组织大部队伏击”，现在林彪要在这里伏击日军的一支精锐部队。
林彪的兵力部署，目的是拦截日军先头，切断日军退路，实施中间突击，分割歼敌。他保证了伏击日军时在兵力上拥有优势，又部署了足够的兵力阻击日军增援。为了隐藏作战意图，逃避敌军的侦查，115师决定部队趁着月色视线暗淡，敌军不好发现，当天晚上立即进入伏击阵地。命令陈光旅在0点出发，进入白崖台一线埋伏，徐海东旅随后开进。并要求各部队于第二天拂晓前完成各项作战准备。24日夜，部队开始向作战地域运动。为了隐蔽，大多数部队都选择了最难走的羊肠小道。当晚，天空中乌云密布，越来越浓，天越来越黑，黑得像是罩了口锅。不一会儿，瓢泼大雨下了起来。八路军装备简陋，根本没有雨具提供，每一位战士身上的单薄军装被大雨淋了个透。而最可怕的是大雨后极有可能引起的山洪暴发山体滑坡等灾害，有一些部队要经过河谷，
平时河谷没有水，一旦下起大雨，很快就会浪涛奔腾。当晚雨很大，河水很快就齐胸深了。战士们奋不顾身，跳进河水，洪水太急，把一些战士卷走了。他们当中有些人，是经过二万五千里长征来到陕北的老战士，对日军作战是他们多年的宿愿，然而眼看就要面对面打日本人了，却被洪水夺去了生命。任何军队作战，都无法避免非战斗减员。这些战士却是在战斗前几个小时死于非命，实在令人惋惜。当然八路军部队可以选择让工兵营先搭建桥梁，然而所需要花费时间过长，只好打消这个念头。战士们只好把枪和子弹吊在脖子上，手拉手结成一条人链，强行渡河。如果洪水不大，这个办法行得通。可是，最后出发的徐海东旅部分部队，就被大洪水拦住了。为减少不必要的伤亡，林聂二人下令没过来的就不再强渡，减少牺牲。
天亮前，杨得志和陈正湘率领的第六八五团与李天佑和杨勇率领的第六八六团，按计划占领了预定伏击阵地，迅速完成了伏击准备。独立团和骑兵营已于23日分别向平型关东北和东面开进。24日，独立团在灵丘与涞源之间的腰站与日军遭遇，击毙三百多名日军，为平型关战斗开了个好头。25日，天刚蒙蒙亮，板垣师团三浦旅团的后卫部队乘坐一百多辆汽车，携带两百多辆大车的辎重，共计约两千多人，沿灵丘至平型关的公路一字前行。
日军坦克部队
第一一五师的战士们，在伏击阵地上警惕地注视着公路。经过一夜冒雨行军，他们非常劳累，但谁也没有困意。大战之前的紧张和兴奋，弥漫在阵地上。他们先是听到了远处传来的马达声，接着就隐隐约约地看到日军汽车的影子。汽车越来越近，这才发现后面还有一大溜马车。头一辆汽车上插着一面太阳旗，坐着几十个日本兵，头戴闪光的钢盔，身着黄呢大衣，带刺刀的步枪抱在怀里。这些军人装备精良，侵华以来很少遇到有力的抵抗，在中国的土地上，他们旁若无人，不可一世。这就是板垣征四郎的部队。板垣算得上武士道的代表人物，在日军中很有些名气。他选择平型关作为迂回路线，是因为他知道，这里是山西与河北交界的地方，是中国守军比较薄弱的环节。因此，板垣的部队在这里疏于防备。
侦探日军行动轨迹
战士们瞪大了双眼，看着进入伏击地域的日军 北上抗日，是八路军战士梦寐以求的事情，但这是他们第一次亲眼见到日本人，几乎每个人都瞪大眼睛，想把东洋的对手看个清楚。以前心里总是想：“日本人到底是什么样子呢？”这下他们看清了，小鬼子和咱们长得差不多，黄皮肤黑头发，俩胳膊俩腿，没有顺风耳也没有千里眼，更没有三头六臂。大敌当前，战士们上好刺刀，在枪膛里压满子弹，机枪射手们已经瞄准了目标，只等着指挥员一声令下。
正式交战
７点左右，日军全部进入伏击地域。由于道路狭窄，雨后道路泥泞，日军的车辆人马拥挤不堪，行动十分缓慢。第一一五师抓住有利战机，全线突然开火，给日军以大量杀伤，并乘日军混乱发起冲击。日军最前面的汽车已被打坏着不了火，后边的汽车、大车和骡马挤在一起，走不动了。日军被突如其来的伏击打晕了，跳下车四处散开。他们大约做梦也没有想到，会在白天遇上这样猛烈的打击。日军精锐三浦旅团的惊慌失措很快就过去了。这些经过长时间训练的日军官兵，本是一支战斗力很强的部队。他们从最初的懵懂中清醒过来，像是一头饿极了趴在地上休息的狼，看到了猎物的出现立刻迸发出骨子里的兽性，向着指挥刀所指之处疯狂冲去。
赶赴前线指挥
执行拦头和侧击任务的是杨得志的第六八五团。这个团原是红军主力部队，下辖的三个营都有光荣战史。第一营是朱德从南昌起义带出来的；第二营是跟着毛泽东参加秋收起义上井冈山的；第三营是黄公略领导的红三军的底子。许多战士都是经过长征的老战士。第一营营长刘正、第二营营长曾国华和第三营营长梁兴初，都是红军干部，当过团一级的领导。当日军进入伏击地域后，杨得志团迎头截击，首先打乱了日军队形。
战争开打
日军立刻反应过来，所有人向着制高点疯狂地杀去。杨得志立即下达军令“不惜一切代价狙击鬼子，务必不让其占领制高点”刘正营的两个连队接到命令后，向着山沟沟里正在向上冲的日军一顿猛砸猛打，把这股日军大部分消灭。第四连行动稍慢一步，被日军抢先占了山头。连长在冲向山头时负伤，排长主动站出来指挥部队两面夹击日军，很快将这部分日军全歼，再次控制住了制高点。
正当杨得志团与日军反复争夺制高点时，两架日机顺着公路来回盘旋。但双方部队交错，日机无法扫射和投弹，只好飞走。最激烈的白刃战在杨得志团曾国华营和梁兴初营的阵地上展开。曾国华营第五连连长曾贤生，外号叫“猛子”。战斗打响前，他就鼓动部队说：“靠我们近战夜战的光荣传统，用手榴弹、刺刀和鬼子干，让他们死也不能死囫囵了。”他自己作战真是够猛的，发起冲锋后，以身作则冲在了部队最前面，看到日军汽车时，一声令下全连所有的手榴弹向日军扔去，不一会就炸毁了日军20多辆汽车。
接近日军时，勇猛地和日军拼刺刀，他一个人刺死十多名日军。他浑身是伤是血，一群日军向他逼近，他就拉响最后一颗手榴弹，与日军同归于尽连指导员也身负重伤，仍在指挥部队。排长牺牲了，班长顶替；班长牺牲了，老战士接替指挥。就这样，前赴后继，打到最后，全连只剩三十多人，还是顽强地打击日军。
梁兴初营的第九连和第十连，冲上公路后伤亡已经很大，但是依然不顾一切勇往直前，用枪射击，用刺刀拼杀，用木棍和石头砸，用一切能用的武器，誓要多杀死几个小鬼子。李天佑团是侧击的主力。据李天佑战后回忆，他们团几乎与杨得志团同时展开攻击，把拥塞在公路上的日军打得人仰马翻。正在战斗最为激烈的时候，一个参谋大声招呼李天佑：“团长！团长！师指挥所通知，要你去一趟”“师首长要我去？好。”
“虎将”杨勇独臂作战
当时第一一五师有两个指挥所，林彪和聂荣臻各负责一个。李天佑去的是林彪的指挥所，就在李天佑团右后侧的山坡上，距离约五百米。李天佑一路跑步过去，到师指挥所一看，林彪等人都在，气氛也不是很紧张，李天佑就放心一些。林彪对他说：“沉着些。敌人比较多，比较强，战斗不会马上就结束的。”然后，又指着硝烟滚滚的战场说：“看到了吗？敌人很顽强。”顺着林彪手指的方向望去，公路上的日军正在凭借汽车屏障顽抗，组织兵力抢占有利地形。随后，林彪又说：“你们一定要冲下公路，将日军一段一段隔开，把日军死死拖住，不要让他们凝聚在一起一股脑儿向老爷庙冲去。还要另外派一个营全力抢夺老爷庙这个制高点，然后可以居高临下。把日军消灭在山脚下！”
老爷庙地址
李天佑回到团里，战斗更加激烈了。他传达了师长的指示。随后，除李天佑以外，几位团领导都下到营里去。李天佑命令右侧山上的第三营向老爷庙冲击。山谷中，杀声震天。八路军勇猛地向公路冲击。李天佑在望远镜里看到，八路军的火力压不住日军火力，冲上去的战士一个又一个倒下。官兵们还是前仆后继地冲锋。日军也不示弱，一部分日军不久便占领了老爷庙，形势对李天佑团十分不利。
攻击继续进行，八路军伤亡惨重。李天佑咬咬牙，再次下令：“三营长，不要怕伤亡！猛冲，一定要拿下老爷庙”“是！保证完成任务”周骸宾坚定地回答。“老李，指挥所交给你，我跟三营一起上去。”刚刚回到团部的杨勇对李天佑说，随后便与周骸宾营一起向老爷庙方向冲去。李天佑则组织侧翼连队加紧攻击，吸引日军火力，支援第三营冲锋。
山沟里硝烟弥漫，响声震耳欲聋。周骸宾营的官兵们钻进烟雾，往前跑，往前爬，往前滚，终于冲上了公路，同日军白刃格斗。枪托上下飞舞，大刀寒光闪闪。战士们面对强敌毫不畏惧，奋勇拚杀。在周骸宾营向老爷庙日军发动进攻的同时，又让一个排去占领东面公路的小土地庙，依据有利地形，拦截日军，使其无法攻向山顶。日军虽然战斗力十足，但明显能看出来不会在山地作战，不知道山地作战制高点的重要性，这也不怪他们，毕竟日本只是个岛国，海拔低且地形单一，没见过我们这种高山，更不知道如何打山地战。
李天佑团的部分兵力冲过公路，直奔西侧的老爷庙。这样，在第二营的积极支援下，周骸宾营终于占领了老爷庙制高点。就在这时，杨勇突然感到一股巨大的力量向他袭来，把他冲倒在地。他想爬起来，可左臂怎么也不听使唤了。身后的通信员惊叫道：“政委，你挂花了”“别喊，这点小伤算什么”杨勇对通信员说。卫生员过来给杨勇简单地包扎了一下，他又站在指挥位置上。这是他参加革命以来第三次受伤。
李天佑团占领了老爷庙，从公路两侧居高临下，日军的位置完全暴露在八路军枪口中，弹指间就射杀了几十个往上冲的日军。日军指挥官看着一片片倒地的日本兵，幡然醒悟，这才知道战局的关键在于制高点老爷庙。于是用力地挥着指挥刀，大声下达命令，指挥部队去抢夺老爷庙。但是由于前线部队正在和我军近身肉搏，无法调动火炮。火力优势发挥不了，只有穿着皮鞋的步兵成群地往上爬，在八路军的火力下伤亡惨重。日军一次又一次冲击，一次又一次倒下。这时，日军飞机飞来，低空盘旋，寻找机会。但交战双方靠得太近，日机不敢轻易投弹。
战斗进行到中午12点，张天云的第六八七团从日军后面攻上来，日军后部顿时乱了。原来，张云天一开始就安排了一支部队，把日军尾部包围在西沟村，抢占了高地切断了日军退路。被包围的日军惊慌失措，准备向北逃窜，却被早在蔡家峪埋伏的八路军全歼。随后，又向南配合陈光旅战斗。林彪看到全面攻击的时机到了，发出总攻命令。占据公路两侧的部队迅速发起冲击。
先期占领东泡池的日军一部，回援老爷庙和小寨村的日军，被杨得志团阻截。板垣急令蔚县和涞源的日军部队增援平型关，又被杨成武的独立团和骑兵营阻击在灵丘北面和东面，并在灵丘东面的腰站毙伤三百多人被围日军在六架飞机掩护下，再次猛攻老爷庙及附近高地，也未能得逞。李天佑团集中全力，在两翼部队协同下，歼灭了被围的日军。1点多，战斗以八路军胜利而告结束。
黄昏，师部命令陈光旅向东泡池的日军展开攻击。东泡池约有两千多名日军，控制着这里的高地。这股日军本是国民党晋绥军的攻击目标，但晋绥军没有按预定计划配合八路军作战，致使日军敢于集中力量向八路军侧翼攻击，企图为老爷庙和小寨村的日军解围。在八路军开始进攻东泡池时，晋绥军又放弃团城口阵地，这才让日军找到一个缺口，及时撤退，否则将会歼灭更多的日军。
平型关大捷
平型关战役，战果累累。八路军歼灭三浦旅团一千多名日军，击毁一百多辆汽车和二百多辆大车，缴获一门大炮、二十多挺轻重机枪和一千多支步枪，还有三十万元日币及大量军用物资。这是中国抗战开始以来取得的第一次重大胜利，打破了汉奸和亲日派“抗战必亡”、“抗战必败”的论调。
战争胜利