為了配合國民黨軍的對日作戰行動，打好八路軍出師第一仗，第115師在第二戰區司令長官閻錫山組織的砂河決戰中，
初以平型關後改雁門關為日軍主要突擊方向的情況下，作了充分的作戰準備，主動發起了平型關戰役。
1937年9月14日，第115師先頭部隊第343旅及師直屬部隊，進抵平型關以西大營鎮集結，準備日軍進攻國民黨軍平型關陣地時，相機襲擊日軍左側後殲其一部，以擴大戰果。9月23日，朱德、彭德懷在給林彪的指示中，指出：敵於昨夜以來，忽奇襲國民黨軍平型關陣地，現正激戰中，第115師即向平型關、靈丘間出動，機動側擊向平型關進攻之敵，但須控制一部於靈丘以南，保障自己之左側。
23日黃昏，師主力出發，連夜趕到上寨、冉莊地區待命。24日傍晚，林彪和聶榮臻下達了各旅團出擊的命令：第343旅於24時出發進入白崖臺一線埋伏陣地，第344旅隨後跟進。午夜24時，部隊按時開進。
為了隱蔽，各部選擇了難走的崎嶇小路。當時，天空烏雲越來越濃，大地越來越黑。幹部戰士既無雨具，又缺乏禦寒的服裝，穿著灰布單軍裝，互相催促著，深一腳淺一腳地依次拽著衣角前進。
"當時大雨如注，狂風不止，加上天黑路滑，行動十分困難。全團上下衣服被淋得透溼不說，幾乎都成了'泥人'。深秋，山區的夜晚已是很冷，指戰員一個個凍得直打哆嗦。"
霎時間，山洪暴發，湍急咆哮，擋住了部隊前進的道路，急於涉水的戰士被洪水沖走了。於是大家把槍和子彈掛在脖子上，手拉著手結成一條堅固索鏈，有的則牽著馬尾巴穿過激流。山洪寒冷透骨，凍得幹部戰士兩腿麻木。同日，獨立團在靈丘與淶源之間的腰站，打了一個遭遇戰，殲日軍300餘人。
25日拂曉前，第685、第686和第687團全部進入預伏陣地。"隊伍在公路南的山溝裡隱蔽下來，天還是陰沉沉的，冷風颼颼，又不許生火，戰士們只有咬牙忍受，讓沸騰的熱血來烤乾溼淋淋的衣服。"同時，以第344旅一部隱蔽進入了東河南鎮以北的一個高地，師指揮所則設在溝東南便於觀察指揮的山頭上。第115師作好了一切作戰準備。
25日拂曉，風停雨止，汽車的馬達聲打破了溝谷間異乎尋常的寂靜。日軍第5師團第21旅團主力和師團輜重部隊，向平型關開進。步兵頭戴鋼盔，腳穿皮鞋，身披黃呢大衣，帶著大批軍用物資，盛氣凌人地分乘100餘輛汽車行進在前面，騾馬炮隊、200多輛大車和騎兵隨後跟進。道路狹窄，雨後泥濘，人馬、車輛行動遲緩。
清晨7時，日軍進入八路軍伏擊圈。第115師指揮所，遂下達了攻擊命令。頓時，震耳欲聾的爆炸聲響徹溝谷。全線部隊居高臨下，向敵展開猛烈的火力襲擊。機槍、步槍、手榴彈和迫擊炮一齊開火，一時打得日軍人仰馬翻。有的日軍汽車中彈起火，大車、馬匹相互撞擊，官兵擁擠堵塞，陷於混亂狀態。
八路軍乘機發起衝擊，衝殺聲響成一片。但全面侵華初期的日軍官兵，由於長期受軍國主義的影響和武士道精神的灌輸，因而"皇軍""不可戰勝"的神話在起作用，是一群亡命之徒。第115師第685、第686團遂與日軍展開了短兵相接的白刃格鬥，戰馬嘶鳴，刀槍飛舞，雙方人員扭打在一起。
第685團第2營第5連連長曾賢生1個人刺死10多個日本兵，變成了血人，並率領全連炸燬日軍汽車20多輛。最後，他拉響了剩下的一顆手榴彈，與敵人同歸於盡。
廣大指戰員頑強地拼殺，打完子彈就用刺刀，刺刀斷了就用槍托，槍托折了就揀起石頭當武器。第686團副團長楊勇，在指揮作戰中負傷，仍不下火線。
該團第3營第9連，幹部戰士幾乎全部陣亡，全連只剩下10餘人。第2營第5連第3排有些戰士負傷多次，仍堅持戰鬥，最後全排壯烈犧牲。這是一場血戰，是意志的搏鬥，也是毅力的考驗。
經過八路軍第115師指戰員浴血奮戰，將日軍分割成數段：第685團迎擊日軍先頭部隊，堵住其前進道路；第687團斷敵後尾，包圍日軍於蔡家峪和西溝村地區；第686團在左、右兩翼兄弟團的配合下在喬溝斬腰突擊，並佔領老爺廟高地，打退日軍多次反撲。日軍雖派出6架飛機配合作戰，但也挽救不了失敗的結局。戰至13時許，第686團將老爺廟至興莊一線的日軍全部殲滅。爾後，第343旅向東跑池一帶日軍發動進攻。
黃昏時，第685、第686團逼近東跑池，將敵包圍壓縮在東跑池一帶盆地裡，但由於國民黨軍未按計劃出擊，致使殘敵由團城口突圍，平型關戰役遂告結束。
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