25日晨，敌二十一旅团一部及辎重车队，沿灵丘至平型关公路向前线西进。7时许，全部进入我八路军一一五师伏击地域，经过约6个小时的浴血奋战，至13时许战斗结束，一一五师取得首战大捷，这就是著名的“平型关大捷”。

平型关战斗结束后，八路军一一五师参战部队将日军包围在东跑池一带的盆地。但是国民党军队却没有按照计划出击，使该地的日军未能被歼，平型关战斗的战果未能得到扩大。

八路军平型关伏击成功的同时，傅作义、杨爱源等部，加紧收缩围攻团城口敌军二十一旅团主力。

双方在平型关展开激烈的争夺战，相持不下，死伤累累。由于日军增援部队陆续到达，我军茹越口、铁角岭阵地失守，平型关正面阵地腹背受敌。9月30日夜，前线各部队奉命撤离，平型关战役结束。

平型关战役是忻口会战的前期阶段，平型关战役也是“七七事变”之后，中国军队对日本侵略者最顽强的抗击，几乎将有“钢军”之称的日军二十一旅团全歼。虽然因敌增援解围，平型关战役最后没有取得胜利，但是却给气焰嚣张的日军以极大的打击，让他们看到速战灭亡中国是不可能的。这也是第二次国共合作后，八路军与国民党军队的第一次配合作战。

平型关战役中八路军一一五师虽然没有进入正面战场，但是首战就取得了胜利，切断了敌人的交通线，有力支持了正面战场。

从战役角度看，平型关战斗是配合平型关主战场的侧后伏击战，是全国抗战开始以来中国军队的第一个大胜利。歼灭的是日军二十一旅团的一个辎重部队1000余人，并不是整个的二十一旅团，更不是坂垣师团。