9月22日，日军二十一旅团在战车配合下向平型关阵地进攻，被我七十三师击退。23日，日军再次向平型关、团城口进攻，我军与敌展开血战。

23日，阎锡山令傅作义部投入战斗，与杨爱源联合指挥作战，金宪章新编第二师、郭宗汾七十一师、傅作义三十五军，向前线开进，令八路军一一五师自阵地右翼向北攻击平型关敌军侧背。

此时，一一五师已经进至平型关东的冉庄、东长城村一线。由于我军力量增强，25日，我军将进占团城口的日军二十一旅团主力包围。

八路军一一五师一个团及骑兵营向灵丘方向前进牵制敌人。24日夜，一一五师三个团冒雨在平型关东北山区设伏，以两个团截击和分割行进中的敌人，以一个团断敌退路，以一个独立团和骑兵营阻击敌人增援部队，以一个团为预备队。

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。