平型關以東是群山連綿的穀道，而兩側高地又便於隱蔽機動和伏擊。

據此，第115師決心以伏擊手段，殲滅由靈丘向平型關進犯之日軍，配合友軍作戰，並報請軍委和八路軍總部批准。23日，第115師在上寨召開連以上幹部會議，進行戰前動員。當夜，師部率主力進至平型關東南15公里的冉莊地區。24日，林彪師長和聶榮臻副師長組織幹部現地勘察後，確定在平型關東北關溝至東河南村長約13公里的公路兩側高地設伏，將由靈丘向平型關進攻的臼軍殲滅於狹谷之中，具體部署是：

以師獨立團和騎兵營插到靈丘——淶源——廣靈之間地區活動，鉗制和打擊增援幹型關之日軍。

以第343旅兩個團擔任主攻：其第685團佔領關溝至老爺廟以東高地，截敵先頭部隊，協同友鄰圍殲公路之敵，並阻擊由東跑池向老爺廟回援之敵；其第686團佔領小寨至老爺廟以東高地，分割殲滅沿公路開進之敵，爾後協助第685團向東跑池發展進攻；

以第344旅第687團佔領西溝村、蔡家峪、東河南村以南高地，斷敵退路，阻敵增援。

以第688團為師預備隊，置於東長城、黑山村地域。

同日，第2戰區第6集團軍送來“平型關出擊計劃”，要求第115師依據原計劃由東南出擊。為了隱蔽行動企圖，第115師於24日午夜利用夜暗和暴雨，由冉莊向平型關東北之白崖臺開進，於拂曉前進入預伏地域，並做好了戰鬥準備。（見附圖1）

25日拂曉，日軍第5師第21旅後續部隊乘汽車100餘輛，附輜重大車200餘輛，沿靈丘——平型關公路由東向西開進。7時許，該部全部進入第115師預伏地域，第115師抓住戰機，立即命令全線突然開火，並趁敵陷於混亂之機，適時發起衝擊。第685團迎頭截擊，殲其先頭一部，封閉了日軍南竄之路；第687團在蔡家峪和西溝村之間，分割包圍了日軍後尾部隊，並搶佔韓家灣北側高地，切斷了日軍退路。第686團於小寨至老爺廟之間，實施突擊，並令第2營衝過公路，迅速搶佔了者爺廟及其以北高地，把日軍壓縮在狹谷之中。己陷入四面包圍、傷亡慘重的日軍，拼命向老爺廟反撲，企圖向北突圍。控制考爺廟及其以北高地的第686團第2營在第1、第3營協同下，連續打退日軍多次反撲。在此期間，先期（22日）進佔東跑他的日軍一部，試圖回援老爺廟，亦被第685團所阻。

日軍第5師師長板垣徵四郎得知其部下將被圍殲後，急令在蔚縣的第21旅和進至淶源以西的第9旅各一部，火速增援平型關。當該兩部行至靈丘以東的驛馬嶺和以北的王山村時，遭到第115師獨立團的迎頭痛擊，淶源的日軍也因受第115師騎兵營的鉗制，而不敢傾巢出援。13時許，蔡家峪以東之日軍一部與小寨以南彼圍日軍會合後，在6架飛機火力掩護下，以密集隊形，再次向老爺廟高地猛撲，由於敵我短兵相接，日軍的飛機也無能為力，其反撲被第686團又一次擊退。隨後，第686團衝下公路，在第685團的協同下，將該日軍全殲。

至此，戰鬥勝利結束。第115師發揚連續作戰精神，向平型關正面東跑他日軍逼進，按照與友軍達成的協同作戰計劃，共同消滅該地區之敵。當日黃昏，第343旅兩個團迅速搶佔了東跑池周圍的高地，並將日軍包圍在東跑池一帶盆地。但是由於友軍沒有按計劃出擊，致使該日軍未能被殲。

八路軍第115師在平型關戰役中，共擊斃日軍精銳第5師第21旅1000餘人，擊毀汽車100餘輛，馬車200餘輛，繳獲步搶1000餘支，機槍20餘挺，火炮1門，以及大批軍用物資，取得了全國抗戰開始以來中國軍隊的第一個大勝利。

平型關大捷是八路軍首次集中較大兵力對日軍所進行的一次成功的伏擊戰。在日軍長驅直人、國民黨軍節節後退的形勢下，八路軍首戰告捷，使全國人民看到了中華民族的希望所在，從而極大地振奮了全國的民心、士氣，提高了共產黨和八路軍的威望，並贏得了國際輿論的稱讚和好評，其政治意義是很大的。

平型關大捷有力地打擊了日軍的瘋狂氣焰，挫傷了日軍的銳氣，打破了日軍不可戰勝的神話，為忻口作戰贏得了準備時間。同時，有效地鉗制了日軍第5師的行動，支援了平漢路友軍的作戰。

平型關大捷的訊息，立時傳遍全國。舉國上下，莫不歡欣鼓舞。全國各界給共產黨和八路軍發出的賀信、賀電，達百餘件之多。

蔣介石26日在給朱德、彭