1937年9月中旬，沿平绥铁路西犯的日军关东军察哈尔派遣兵团占领大同后，以主力沿同蒲铁路南下，向雁门关进攻。与此同时，已侵占阳原、蔚县、广灵的日军华北方面军第5师团，继续向浑源、灵丘进攻，企图突破平型关、茹越口，协同察哈尔派遣兵团击溃中国第2战区国民党军主力，打开晋北通路，实现右翼迂回，配合华北方面军主力歼灭平汉铁路沿线的中国第1战区国民党军主力。在日军的进攻下，第2战区第6、第7集团军退守雁门关、茹越口、平型关内长城一线，企图凭借有利地形和既设阵地阻止日军进攻，保卫山西腹地。同时，要求八路军先头部队尽快挺进晋东北协同其坚守内长城防线。

    为了配合第2战区国民党军作战，阻滞日军的攻势，八路军总部于9月中旬命令第115师进至平型关以西大营镇待机。第115师进至大营镇后，以第343旅前出至平型关东南上寨隐蔽集结，第344旅向上寨机动。

    平型关位于山西省繁峙、灵丘两县邻接处，为内长城重要关隘。9月20日，日军第5师团第21旅团一部，占领灵丘县城，并继续向平型关进犯。23日，八路军总部命令第115师向平型关、灵丘间出动，相机侧击向该线进攻之敌。第115师受令后，决定利用平型关东北的有利地形，以伏击手段歼灭由灵丘向平型关进犯的日军，配合国民党军内长城的防御作战。师部率主力于当夜进至平型关以东冉庄、东长城村地域，并令独立团、骑兵营插到灵丘与涞源之间和灵丘与广灵之间，截断交通线，阻敌增援。24日,林彪、聂荣臻组织营以上指挥员进行现地勘察，并确定“拦头、斩腰、断尾”的部署：第343旅第685团占领老爷庙西南至关沟以北高地，截击日军先头部队，并协同第686团围歼进入伏击地域的日军；第343旅第686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；第344旅第687团占领西沟村至蔡家峪以南高地，断敌退路，并阻击由灵丘和浑源方向来援的日军；第344旅第688团为预备队。为隐蔽行动企图，达成战斗的突然性，各部队当晚冒雨进入阵地，并于25日拂晓前完成了战斗准备。

    25日晨，日军第5师团第21旅团一部和大批辎重车辆，沿灵丘至平型关公路西进。7时许，全部进入第115师设伏地域。由于道路狭窄，雨后路面泥泞，其车辆人马拥挤堵塞，行动缓慢。第115师立即抓住有利战机，突然发起攻击，打得敌人晕头转向，并乘势将日军压迫于老爷庙至小寨村的狭谷之中。日军在飞机掩护下疯狂反扑，企图突围。我军英勇顽强，与敌展开白刃格斗，打退敌多次反扑，激战至13时许将被围日军全歼，战斗胜利结束。

    此战，第115师以劣势装备一举歼灭日军精锐第5师团第21旅团1000余人，击毁汽车百余辆、马车200辆，缴获步兵炮1门、轻重机枪20余挺、步枪1000余支、军马50余匹及其他大批军用物资，牵制了日军第5师团的进攻，支援了平汉路和同蒲路上的国民党军作战。这是全国抗战开始以来中国军队取得的第一次重大胜利，沉重打击了侵华日军的嚣张气焰，振奋了全国的民心士气，提高了中国共产党和八路军的声威。

    新华社北京9月6日电