1937年9月上旬，根据作战计划，八路军115师开赴平型关附近。平型关位于山西省东北部，是晋东北的一个咽喉要道，两侧峰峦迭起，陡峭险峻，左侧有东跑池、老爷庙等制高点，右侧是白崖台等山岭。在关前，是一条由西南向东北延伸的狭窄沟道，是伏击歼敌的理想地。2日，日军第5师团第21旅团一部，由灵丘向平型关进犯，并占领东跑池地区。23日，115师决心抓住日军骄横、疏于戒备的弱点，利用平型关东北的有利地形，以伏击手段歼敌，并召开连以上干部会议，进行深入的战斗动员。24日深夜，115师利用暗夜和暴雨，秘密进入白崖台等预置好的战斗阵地。25日拂晓，日军第5师团第21旅团后续部队乘汽车100余辆，附辎重大车200余辆，沿灵丘——平型关公路由东向西开进。7时许，该部全部进入第115师预伏阵地。第115师抓住战机，立即命令全线开火，并乘敌陷于混乱之际，适时发起冲击。115师一部歼敌先头，阻其沿公路南窜之路；一部分割包围日军后尾部队，断其退路；一部冲过公路迅速抢占老爷庙及其以北高地；一部阻断先期占领东跑池的日军回援；一部阻断日军第5师团派出的增援部队。经过激烈战斗，全歼被围日军，大获全胜。

此战，取得重大战果。八路军115师共击毙日军1000余人，击毁汽车100余辆，马车200余辆，缴获步枪1000余支，机枪20余挺，火炮1门，以及大批军用物资，取得了全国抗战开始以来中国军队的第一个大胜利。