1937年9月，刚刚由陕北红军主力改编的八路军3个师，在朱德总司令亲自率领下，东渡黄河，开赴山西抗日前线。此时，日寇华北派遣军和“蒙疆驻屯军”正从东、北两个方向逼近山西腹地，尤其是从北面来犯的日寇板垣第5师团等部，攻势十分凌厉；坐镇太原指挥的第2战区司令阎锡山抵挡不住，只得放弃大同等要地，全线向后收缩。
第二战区司令阎锡山
晋绥军高层反对平型关设伏
为了遏制日寇攻势，保住自己的太原老巢，阎锡山主动提出了集中兵力与日寇决战的战略预案：先放纵日寇前锋板垣第5师团越过平型关，诱其深入到砂河以西地区，而后从五台山、衡山发动钳形攻势，并截断平型关要隘，最终一举将日寇板垣师团围歼于滹沱河上游的盆地之中。
朱德得知这一方案后，主动提出建议：发挥晋绥军擅长防御、八路军擅长游击的特点，由晋绥军主力坚守平型关正面，八路军最先到达战场的第115师则隐蔽在板垣师团前进道路的侧面，趁其不备发动突袭。但晋绥军高级将领孙楚、杨爱源、王靖国等人却表示反对，理由竟然是这样会打疼日本人，遭遇更加疯狂的报复，简直滑天下之大稽。
平型关一线仅剩八路军115师
听了部下的意见后，阎锡山也怂了，不再主动求战围歼日寇，而是在平型关及附近的团城口等要隘集结第17军、预备第2军等部，共计3个师另2个旅，扼守险要，尽量阻挡来犯日寇。同时，请115师袭击敌后，打个局部胜仗，既能击退日寇、挽回败局，又不至于把日寇打的太疼。
9月23日，八路军115师开始向平型关、灵丘之间前进，准备占领关沟、老爷庙、小寨村一线南侧高地，伏击从山下经过的日寇部队。但第二天就得到消息，驻守北面团城口、鹞子涧、西泡池等隘口的第17军高桂滋部突然放弃阵地后撤，使得晋绥军全线动摇，整个平型关战场已仅剩第115师一支部队了。
两股日寇同时进入伏击圈
尽管已成孤军，但第115师并不打算后撤。24日傍晚，尽管大雨入注、狂风不止，第115师师长林彪、副师长聂荣臻还是下达了各旅、团出击的命令：第343旅于24时出发进入白崖台一线埋伏阵地，第344旅随后跟进，为了隐蔽，还都选择了难走的崎岖小路。
25日拂晓前，各部陆续进入预伏阵地，预备队、担架队等也在公路南的山沟里隐蔽下来，随时准备支援。当天上午，日寇第6兵站汽车队本部及汽车第90、91中队装载伤员从平型关前线返回；板垣师团部警卫中队第3小队等部500余人在情报参谋桥本顺正中佐率领下也从后方赶来。
取得全面抗战首次大捷
两股相对而行的敌人最后竟然同时走入了第115师的伏击圈，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，突然以步枪、机关枪、手榴弹的猛烈火力，大量杀伤包围圈内的敌人，并乘其惊慌混乱之际发起冲击，与残敌展开白刃格斗。
日寇死伤惨重，但仍利用车辆辎重作掩护进行顽抗。其中一部甚至企图抢占公路西侧老爷庙及其附近高地，居高临下掩护突围，但最后都只是徒劳无益，到中午1点，被围的千余日寇被全歼。最后统计战果，共击毁汽车百余辆、马车200辆、缴获步兵炮1门、轻重机枪20余挺、掷弹筒20余具、步枪1000余支、军马53匹及其他大批军用物资。
