为了国共两党更好的抵抗日本侵略者，1937年8月15日，国民政府军事委员会向全国下达了抗日总动员令；8月18日，蒋介石同意将红军主力改编为国民革命军第八路军；8月25日，中共中央洛川会议公布《抗日救国十大纲领》；同日，中央军委发布八路军改编命令，数万名红军将士摘下红五星，换上了国民革命军军服。9月八路军又组编为第十八集团军，进入晋东北阎锡山负责的第二战区序列。此时，侵华日军攻占了晋北重镇大同及周围各县。20日，日军第五师团一部侵占灵丘，21日，日军第二十一旅团长三浦敏事率步炮6个大队分两路向平型关一线进犯，企图突破平型关防线与雁门关以北日军汇合攻占太原，进而占领山西全省。22日，日军开始向平型关、东跑池、团城口等长城各主要阵地发动进攻，并派战车、飞机助战，受到第二战区守军第七十三师、独立第八旅、第八十四师的顽强抵抗，战斗十分激烈，敌我双方伤亡惨重，使日军连续三天的进攻并无进展。在东跑池指挥作战的三浦敏事，急电师团长坂垣征四郎派兵增援。为阻止日军突破平型关防线，阎锡山命傅作义率两个旅增援，并致电朱德（总司令）要求八路军配合作战。于此，八路军115师根据中共中央的指示，在平型关一带设伏，打响了抗击日本侵略者的枪声。
1937年9月23日，林彪、聂荣臻在干部会议上，作出初步计划。24日，友军第2集团军、第6集团军送来“平型关出击计划”，拟定71师附新编第2师及独立8旅一部配合115师向平型关以东的日军出击。115师主力布置在平型关到东河南镇10余里长的公路南侧山地边缘。343旅之686团位于白崖台附近，左侧是685团，右侧是687团，口袋底是第33军之独立8旅、115师第344旅，687团断敌退路并打援敌，688团作为预备队。这一部署使得进攻平型关的敌人完全处于包围圈伏击之中。八路军同时又以一部从关沟出发，主动接应郭宗汾的出击部队。
为打好这场仗平型关大捷，林彪曾三次到平型关乔沟一带进行实地勘察。第一次是他带着参谋人员和电台去的。首先到平型关关口，爬上关口北侧山岭，对着地图观察平型关以东的山势、河沟、村庄和道路。然后下山沿西跑池、东跑池公路到乔沟至东河南，察看峡谷公路两侧的地形地貌；第二次是他化装去侦察的。重点勘察了老爷庙前的地形和乔沟南侧山地地貌，一个完整的伏击战计划在林彪脑海里基本形成；第三次是在上寨动员会后，林彪和聂荣臻带着旅长、团长们去侦察的，并在现场向各团指定了埋伏地点，明确了师、旅、团指挥所的位置。
1937年9月23日，朱德、彭德怀在给林彪的指示中，指出：敌于昨夜以来，忽奇袭国民党军平型关阵地，现正激战中，第115师即向平型关、灵丘间出动，机动侧击向平型关进攻之敌，但须控制一部于灵丘以南，保障自己之左侧。
战斗前，115师的部队在冉庄集结。24日傍晚，林彪和聂荣臻下达了各旅、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。午夜24时，部队按时开进。为了隐蔽，各部选择了难走的崎岖小路。当时大雨如注，狂风不止，加上天黑路滑，行动十分困难。全团上下衣服被淋得透湿不说，几乎都成了“泥人”。深秋，山区的夜晚已是很冷，指战员一个个冻得直打哆嗦。
紧随暴雨接踵而至的是罕见的山洪又突然暴发，奔腾的洪水，拦住了八路军官兵前进的道路，此时战士们只能把枪和子弹挂在脖子上，手拉着手或者拽着马尾巴从齐腰甚至齐胸深的急流中躺过，向预定的埋伏阵地急行，到9月25日清晨，经过一夜的风雨行军，115师按照预定时间赶到了伏击阵地并迅速构筑工事实施伪装，一夜风雨过后，加之山洪寒冷透骨，官兵们浑身上下全被洪水泡成了“黄泥汤”，冻得干部战士两腿麻木。同日，独立团到达灵丘与涞源之间的腰站，并打了一个遭遇战。
日本1973年出版的《滨田联队史》记载：汽车一过关沟村即与敌遭遇，当即火速下车，令吉川中队向北边高地，内藤中队向南边高地，狙击枪中队协助龙泽中队从中间平地进行攻击。然后敌人以迫击炮、重机枪猛烈射击，兵力看来也比我方多十几倍。尤其吉川中队正面之敌举起军旗、吹起军号，士兵各自扔出手榴弹，反扑过来。我方寡不敌众而毫无办法。28日，龙泽中队得到友军的支援后，勇气百倍再次继续前进，此时遇到意外情景，刹那间所有人员吓得停步不前。冷静下来看时，才知道行进中的汽车联队已遭到突袭全部被歼灭，100余辆汽车惨遭烧毁，每隔约20米，就倒着一辆汽车残骸。公路上有新庄中佐等无数阵亡者，及被烧焦躺在驾驶室里的尸体，一片惨状，目不忍睹。
就平型关伏击战的胜利，《晋绥抗战》一书写道：第二战区第十八集团军第115师进出平型关外，遮断日军后方供应联络线。由于中国共产党领导的八路军参与了平型关战役，以运动战给敌以重创，首开全国抗战斩获的光荣记录。平型关大捷胜利后，毛泽东马上给予肯定，9月26日兴奋地致电朱德、彭德怀：祝贺我军的第一个胜利！蒋介石也先后两次致电祝贺嘉勉。数日内八路军总部收到贺电贺信百余封，延安《新中华报》、南京《中央日报》等国内各大报刊、广播电台及英国、法国、美国及东南亚国家的报纸、电台，纷纷报道八路军平型关大捷的消息。石家庄、太原等城市各界群众集会，庆祝八路军出师抗日旗开得胜，首战大捷。
平型关大捷后八路军在开辟敌后根据地时，走到哪里都受到广大群众的热烈欢迎，大批青年积极报名参加八路军。防守平型关的国民党爱国官兵在八路军平型关大捷的鼓舞下，增强了斗志。在国际上，平型关大捷鼓舞了东南亚各国的爱国华侨，纷纷捐钱捐物支援祖国抗战。美国等西方国家也成立援华组织，集合游行，抵制日货、拒绝出口钢铁给日本用来制造武器，声援中国抗战。骄横狂妄的日军不得不调整部署，采取迂回进攻的策略，从而延缓了军事进攻的速度。上述种种，无不缘于八路军平型关大捷的影响。
据《解放军报 平型关：出师抗日第一捷》报道：“平型关大捷的意义还在于进一步统一了党内的战略思想。”。战后，115师师长林彪在《平型关战斗的经验》中写道：我军在目前兵力与技术条件下，基本上应以在敌后袭击其后路为主，断敌后路是我们阻敌前进争取持久的最好方法。这一认识符合毛泽东反复强调的‘坚持独立自主的山地游击战’的战略方针。思想的统一，为日后共产党领导的各支部队深入发动群众，建立敌后抗日根据地，奠定了基础。