1937年9月21日，板垣征四郎率领第5师团部从浑源翻越高山南下，袭击守军第17军侧背。日军第21旅团主力则由灵丘南进，从正面进攻平型关，遭到了第33军孟宪吉部第吕旅的顽强抗击：日军的援兵不断增加，于是两军在平型关前展开了大战。此时，第7集团军总司令傅作义率领预备部队前来增援，日军攻势受挫，被挡在了平型关外，无法继续向前展开攻势，进展不动。
9月24日，第116师师长林彪与副师长聂荣臻亲自率领营以上干部前往前线，侦察地形后决定在平型关东北方的关沟至东河南村长约10余公里的公路两侧山地设置伏击阵地，用“拦头、截腰、斩尾”的战术歼灭由灵丘而来的日军。24日夜间，八路军第115师主力冒大雨进入预伏阵地，进行了充分的战斗部署。
26日，日军第21旅团第21联队第3大队，乘100余辆汽车和200余辆瑙重马车沿公路向平型关缓慢开来，7时左右，全部进入116师的预伏阵地。由于道路狭窄，且雨后路面非常泥泞，日军车辆和人马拥挤堵塞，行动比较缓慢。林彪抓住战机，命令第115师全线开火。第687团第5连连长曾贤生率部向敌冲杀，用手榴弹炸毁敌人最后一辆汽车，切断了日军退路。第685团则迎头截击，封闭了日军南窜之路。被击毁的日军汽车、马车充塞道路，致使兵力无法展开。第686团在老爷庙高地，击退了敌人的多次反扑。第115师官兵越战越勇，开始分割围歼敌人。激战至到午后，八路军第115师取得了中国军队对日全面抗战以来的首次大捷。
为了支援八路军第115师作战，国民党第6集团军副总司令孙楚命令郭宗汾的预备第2军主动出击，攻击日军侧后。25日拂晓前，预备第2军通过涧头、迷回村前进时，突遭受来自团城口方面工事里的日军炮火猛烈袭击和包围，伤亡三分之一左右。由于此时第115师获得平型关大捷后，一部挺进于大、小寒水岭上，才使郭宗汾部占稳了阵地，有力的减小了日军对平型关正面的进攻压力。
阎锡山鉴于杨爱源和孙楚统御各军的能力有限，于是命令傅作义负责平型关战役的总指挥，并命令陈长捷的第61军迅速援助平型关。第61军气势如虹，一举攻占了西跑池和鸦子涧。26日，日军集中一个旅团的优势兵力向鸦子涧守军第434团开展猛烈反扑，程继贤团长指挥仅剩的两个营的士兵与日军展开肉搏拼杀，全团官兵勇往直前，无一逃跑，直到最后弹尽援绝，程继贤团长以下官兵全部壮烈牺牲。
此时，东、西跑池也展开了激战。日军增援部队赶到后开始发动攻势，企图夺回西跑池。吕瑞英旅长率部顽强抵抗，接连几次粉碎日军攻势。日军重炮兵开到后，立即以强大的炮火轰击东、西跑池及鸦子涧阵地。驻防东跑池的第8旅第622团，血战5个昼夜，阵地也多次易手，两军形成拉锯战，山坡上敌尸累累，守军也伤亡近三分之二，但仍然坚守不退。
此时，平型关整个作战区域己经陷入胶着状态。连续一周的激战，日军已伤亡7000余人，板垣征四郎经过和部下商议命令关东军察哈尔派遣兵团第2混成旅团长本多政材率部偷袭茹越口，从而迁回抄袭平型关背后。茹越口是恒山和雁门山之间的要冲，是中央军刘茂恩的第1军和晋军第34军的结合部。杨澄源的第34军虽然编制是军级，但只有2个旅的兵力，姜玉贞的第196旅正驻守阳明堡。所以，实际上只有梁鉴堂部第203旅驻守繁峙，防守力量比较薄弱。
东条英机的战术是声东击西，先摆出攻击雁门关的架势，然后，派第15旅团和第2旅团突然转向东南，直扑茹越口，以一昼夜的急行军，于9月28日晨一举突破了茹越口要冲，国民党第34军不得不退入繁峙。为了保卫平型关战场的后方安全，梁鉴堂旅长又亲自率领剩余的一营人马杀回，企图重新占领山口，但因兵力十分悬殊，梁鉴堂旅长和大部分官兵都壮烈牺牲。第19军军长王靖国于是急命方克酞旅长反攻茹越口，但又被日军击溃。9月29日，日军占领了繁峙和铁角岭，对平型关主战场和雁门关主阵地的侧后方构成了严重威胁。
9月30日，面对平型关战役此时的战势，阎锡山亲自来前往繁峙南大营以西沙河镇的一个小村，召集了傅作义、孙楚、杨爱源、陈长捷、王靖国等前线将领开会。经商议后，决定平型关作战部队全线撤退。10月1日，阎锡山下令内长城线上各路军向云中山、五台山、芦芽山一线转移，集中兵力在忻口地区组织防御，日军不久还是突破了防线，最终占领了太原。
【1】刘德军主编:《抗日战争研究评述》
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