进攻平型关的日军，属于板垣第五师团二十一旅。析垣是个中国通，全名叫板垣征四郎，1929年他就来到了中国，在关东军任大佐。九一八事变后，日本在东北拼凑组织“满洲帝国”，板垣代表日本领衔与溥仪进行谈判。五年后，他升任中将师团长，威名显赫。板垣在华多年，熟知中国地理。他知道，平型关历来守备松弛，是个薄弱环节，因此，他企图抢攻平型关，直插太原腹背。9月下旬，板垣师团攻占灵丘后，即沿沟道向平型关直扑而来。

为了打好一一五师出征后第一仗，林彪、聂荣臻召开了干部会。林彪命令独立团和骑兵营插到灵丘与涞源之间、灵丘与广灵之间，切断敌人交通线，阻止敌人增援;命令三四三旅的二个团为主攻，三四四旅一个团到平型关北面断敌退路，一个团作师部预备队。全部攻击部队埋伏于平型关东侧山地。当夜，一一五师主力赶往距平型关十五公里的冉庄待命。24日，东面灵丘方向传来断断续续的枪声。前沿部队报告，敌人有可能翌日大举进攻。傍晚时分，林彪打电报给各旅首长，下达了出击命令：三四三旅本日晚0点出发进入百崖台一线埋伏阵地，三四四旅随后开进。百崖台一线，距预计敌人要经过的汽车路仅一两公里。当夜，大雨陡降，风声、雨声、脚步声交合在一起，战士们既无雨衣，又无御寒衣物，单衣单裤，浑身透湿，沿着崎岖的山道艰难地前进。

暴雨导致山洪暴发。陡然涨起的溪水疯狂地冲撞着沟谷峡底，发出轰轰的巨响。战士们只得把枪和子弹挂在脖子上，手拉手结成一道人墙，或者拽着骡马的尾巴从激流中淌过去。三四三旅抢在山洪暴发前过去了，徐海东带领的三四四旅被山洪阻挡，只过去了一个团，另一个团的部分战士急着过去，结果被越来越凶猛的洪水裹挟而去。“洪水太急，强渡可能会造成不必要的牺牲。让剩下的部队作为预备队，缓行待进吧。”林彪同意了聂荣臻的意见。天亮前，一一五师终于到达指定阵地。按照作战计划，一一五师大部分兵力隐蔽于东南山地，同时派一支部队穿过沟底通道，占领河南镇以北的一处高地，造成居高临下、两面夹击之势。林彪将师指挥所设在沟道东南的一个山头上，在那里，通过望远镜，可以鸟瞰战场全景。

清晨，大雨初歇，群山一片寂静，几株孤零零的小树在秋风中冷得发抖。7时左右，沟道上传来隐隐约约的马达声。不一会儿，一百多辆汽车隆隆地开进沟道，汽车后又是二百多辆大车，再后面是驮着炮弹的骡马和骑兵。总共四千多名日军士兵在太阳旗的引导下，大摇大摆地走进了林彪布下的口袋。这时，伏击部队的报告不断传进师指挥所。当日军已全部进入一一五师的埋伏圈后，林彪立即下令：“攻击开始!”随着林彪一声令下，顿时，机枪、步枪一齐开火，枪炮声响彻山谷。八路军的突然发起攻击，使日军措手不及，指挥系统一时失去指挥，只得仓促应战。

板垣二十一旅团毕竟是一支有丰富战斗经验的部队。他们很快从懵懂中清醒过来，疯狂地进行反扑。日军官佐举着军刀拼命地嗥叫，试图组织反冲锋抢占高地。双方展开了血战，白刃对刺，刀光血影，不断有人倒下。他们用拳头，用牙齿，用石头，拼命想消灭对方，直到力尽命殒。残酷的战斗一直持续到当日正午。日军终于抵御不住从未遇过的八路军的猛烈攻击，弃下一千多具尸体，落荒而逃。平型关战斗，八路军一一五师歼敌板垣师团第二十一旅团一千余人，炸毁日军汽车一百余辆，大车二百多辆，缴获炮弹二千多发，机枪二十余挺，战马五十多匹，步枪千余支，其他辎重物资不计其数，取得了抗战以来第一次对日作战的辉煌胜利。一一五师的胜利，打破了日军“不可战胜”的神话。平型关大战获得重大胜利的消息，很快传遍全国各地。各党派、各阶层发来的贺电、贺信如同雪片一般飞来，以“抗战领袖”自居的蒋介石也致电表示庆贺。