1937年9月，日軍第5師團佔領大同、蔚縣後，兵分兩路向南推進，一路由正面進攻雁門關，一路由蔚縣、廣靈經靈丘向平型關方向進犯。為配合在晉綏作戰之國民黨第6集團軍打擊日寇，八路軍總部於9月中旬命令第115師進至平型關以西的大營鎮待機。
9月24日，第115師組織營以上指揮員進行現地勘察，並作出具體部署：以第343旅686團佔領小寨村至老爺廟以東高地，實施中間突擊；以第343旅685團佔領老爺廟西南至關溝以北高地，截擊和圍殲日軍先頭部隊；以第344旅687團佔領西溝村至蔡家峪以南高地，負責切斷日軍退路，並阻擊由靈丘和渾源方向來援的日軍；以第344旅688團為師預備隊，進入東長城村地域待命，擔負打援任務。為隱蔽行動企圖，達成戰鬥的突然性，各部隊當晚就冒雨進入陣地。
25日晨，日軍第5師團第21旅團一部及100餘輛汽車、200餘輛馬拉大車和火炮組成的行軍縱隊，沿靈丘至平型關公路西進。7時許，日軍全部進入設伏地域。由於道路狹窄，雨後路面泥濘，其車輛人馬擁擠堵塞，行動緩慢。參戰部隊抓住有利戰機，突然以步槍、機關槍、手榴彈的猛烈火力，給日軍以大量殺傷，並乘其驚慌混亂之際發起衝擊，打得日軍措手不及。
第685團迎頭截擊，殲日軍一部。第687團將日軍後尾部隊分割包圍於蔡家峪和西溝村，並將搶佔韓家灣北側高地的一股日軍迅速殲滅，切斷了日軍退路。第686團第1、3營勇猛地衝向公路，同日軍展開白刃格鬥。第686團第2營迅速衝過公路，先敵佔領了老爺廟及其以北高地，與公路東側部隊對日軍構成兩面夾擊之勢，並將日軍壓迫於老爺廟以北、小寨村以南的狹谷之中。
為解救被圍日軍，先期進佔東跑池的日軍一部回援，被第685團阻擊，日軍第5師團師團長板垣徵四郎急令其在蔚縣、淶源的部隊速向平型關增援，被第115師獨立團、騎兵營阻擊於靈丘以北和以東地區，並在靈丘以東腰站被斃傷300餘人。被圍於老爺廟至小寨村的日軍，在6架飛機掩護下，再次猛攻老爺廟及附近地區仍未得逞。接著，第686團集中全力，在第685團和第687團各一部協同下，將被圍的日軍全殲。13時許，戰鬥結束。
此役，八路軍第115師344旅688團（現第12集團軍某部）協助兄弟部隊殲滅日軍第5師團輜重隊和第21旅團一部1000餘人，擊毀汽車100餘量、馬車200餘量，繳獲機槍20餘挺、步槍1000餘支、炮1門及大量軍用物資。平型關大捷，是八路軍出師抗日後打的第一個大勝仗，也是全國抗戰爆發後中國軍隊對日作戰取得的第一個重大勝利，打破了侵華日軍所謂“日軍不可戰勝”的神話，極大地振奮了全國軍民的抗戰信心，提高了共產黨和八路軍的聲望。
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