1937年8月，日军以北平（今北京）、天津地区为出发地，兵分三路沿平绥（今北京—包头）、平汉（今北京—汉口）、津浦（天津—浦口）铁路线展开进攻。9月中旬，沿平绥铁路西犯的日本关东军察哈尔派遣兵团占领大同后，以主力沿同蒲铁路（大同—风陵渡）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，继续向浑源、灵丘进攻，企图突破平型关、茹越口，协同关东军察哈尔派遣兵团击溃中国第二战区国民党军主力，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一战区国民党军主力。在日军的进攻下，中国第二战区国民党军第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。

为了配合第二战区国民党军作战，阻滞日军的攻势，9月中旬，八路军第115师师长林彪、副师长聂荣臻率部进至平型关以西大营镇待机，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师第21旅一部，占领灵丘县城。22日，进占平型关以北东跑池。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，第二战区第6集团军给第115师送来“25日平型关出击计划”，拟以8个团兵力，配合第115师向平型关以东的日军出击。同日，第115师组织营以上指挥员进行现地勘察，并确定部署：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，尔后向东跑池方向发展进攻；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，协同第686团围歼进入伏击地域的日军，并阻击由东跑池回援的日军，尔后协同第686团及防守平型关的国民党军夹击东跑池的日军；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团进入东长城村地域为师预备队。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师第21旅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，突然以步枪、机关枪、手榴弹的猛烈火力，给日军以大量杀伤；并乘其惊慌混乱之际发起冲击。第685团迎头截击，歼日军一部。第687团将日军后尾部队分割包围于蔡家峪和西沟村，并将抢占韩家湾北侧高地的一股日军迅速歼灭，切断了日军退路。第686团第1、第3营勇猛地冲向公路，同日军展开白刃格斗。日军死伤惨重，但仍利用车辆辎重作掩护进行顽抗。其中一部企图抢占公路西侧老爷庙及其附近高地，掩护突围。第686团第3营迅速冲过公路，先敌占领了老爷庙及其以北高地，与公路东侧部队对日军构成两面夹击之势，并将日军压迫于老爷庙至小寨村的峡谷之中。被围日军连续向老爷庙疯狂反扑，企图突围，均被扼守该地的第3营击退。为解救被围日军，先期进占东跑池的日军一部回援，被第685团阻击。日军第5师师长板垣征四郎急令其在蔚县、涞源的部队速向平型关增援，又被第115师独立团、骑兵营阻击于灵丘以北和以东地区，并在灵丘以东腰站毙伤其300余人。被围于老爷庙至小寨村的日军，在6架飞机掩护下，再次猛攻老爷庙及附近地区，仍未得逞。接着，第686团集中全力，在第685团和第687团各一部协同下，将被围的日军全歼。13时许，战斗结束。随后，第343旅向东跑池一带日军展开攻击。由于国民党军未按预定作战计划出击，致使东跑池的日军于黄昏由团城口突围。

此战，第115师以劣势装备一举歼灭日军精锐第5师第21旅一部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师的进攻，支援了平汉铁路和同蒲铁路线上的国民党军作战。这是全面抗战开始以来中国军队取得的第一次大胜利。它打击了侵华日军的气焰，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。