自「盧溝橋事變」之後，日本帝國主義的狼子野心已昭然若揭，他們在侵佔大片我國領土之後又派遣隸屬於關東軍的察哈爾派遣軍兵團揮師南下，直逼雁門關。而為了能完全達到消滅平漢鐵路附近國民黨軍隊的戰略目的，他們又派遣了另一支當時號稱陸軍王牌的第五師團向渾源、靈丘方向進攻，企圖突破平型關、茹越口，進而達到配合察哈爾派遣兵團打開晉北通路實現佔領山西全境。
在此危難時刻，蔣介石領導的國民軍事委員會於1937年8月15日下發了全國抗日總動員令，8月25日，我數萬紅軍戰士摘下了紅五星，換上國民革命軍軍服，於此危難之際向戰場前線開進。
逆流而上
作為東通冀北，西抵雁門的重要關口，平型關是晉冀兩省之門戶。日軍若攻破兩關便可長驅直入，兵臨太原城下。當時山西的「土皇帝」閻錫山因恐於直面日本攻勢又擔心僅憑自己防不住長城防線而影響大局，所以他轉而極力要求於共產黨領導的八路軍，希望其儘快出兵。
當時八路軍是剛剛由紅軍改組而來，在這國民黨軍隊節節敗退而日軍來勢洶洶的緊要關頭，共產黨人不計前嫌，決定以大局為重，點派林彪率領115師開赴抗日前線。這是八路軍自改編後面臨的第一戰。
「受任於敗軍之際，奉命於危難之間」是對115師出徵的真實寫照。當時115師由陝西出發東渡黃河，至9月中旬，115師官兵登上了閻錫山派來的接兵車，沿同蒲鐵路向平型關急進，至原平車站時因鐵路被日軍飛機炸毀又改乘汽車前進。
隨著部隊接近平型關，路上的潰軍開始多了起來，尤其讓人感到驚訝的是，很多部隊甚至和日軍都未交手就潰敗了。到後來竟如螞蟻一般鋪天蓋地，嚴重阻塞了公路，致使車輛無法正常前行。聶榮臻副師長考慮到士氣問題，便大手一揮命令部隊放棄汽車，改由步行。
9月21日，核定完作戰方略並得到中央首肯的林彪乘坐閻錫山派給的吉普車來到實地查看地形，在翻過1800米的長城關口後，他的視野開闊了，順著眼前一條由西向東曲曲折折的峽谷甬道他看到了深谷兩側險峻的山壁，而一條公路蜿蜒其間，沿著公路能直抵靈丘，過來靈丘可到冀西······，置身雄關之上的林彪心潮澎湃，因為他知道馬上就有仗打了，而且肯定就在附近打。
回到駐地的林彪找來聶榮臻商量行動部署，在將敵情和醞釀已久的計劃講了一遍後，徵詢聶榮臻的意見，在關於打還是不打的這問題上，考慮到日軍當前的囂張氣焰和銳氣盡失的友軍，聶榮臻知道，此戰事關民心士氣，因此果斷回道「打!"
9月23日下午，林彪在做了戰前動員後將幾位主要負責同志召集到一起開始做兵力部署，按照他指示：由楊得志帶領685團伏擊於老爺廟一帶，做袋底；由李天佑率領686團埋伏於白崖臺一帶，負責將敵人分割成段；而687團則埋伏於小寨村一帶負責扎口袋。688團留作師的預備隊。
至此，一場關乎全民抗戰決心、友軍直面敵人勇氣的伏擊戰已準備就緒，這支於危難之間迎著潰敗友軍逆流而上的新生隊伍氣勢如虹，只待氣焰囂張的日本人鑽進口袋了。
痛擊日軍
9月25日拂曉，守在一片玉米的686團聽見了自遠而近傳來的汽車轟鳴聲，這讓一個個已經潛伏了一夜又被雨夾雪肆虐了一遍的戰士們頓時都來了精神。可以看到在膏藥旗的後面是二十多個扛刺刀的日本士兵，離他們不遠是三路隊列的士兵，一眼望不到頭的汽車隊伍顯得聲勢浩大。
或許是在中國大地上橫行慣了，迎面而來的日軍在行軍途中沒有設尖兵探路，兩翼也沒有搜索部隊警戒，大搖大擺甚至是有說有笑的裝進了115師為他們量身定做的口袋陣。此時林彪的心裡也很激動，因為他知道自己的計劃成功了。看著一輛接一輛的日本軍車緩緩鑽進羅網，林彪也在心中默默地數著。100多輛卡車200多輛騾馬車，林彪就像一位沉著的漁夫。
行在最前方的軍車停了下來，好似是在等後面的騾馬車隊，看到這一幕林彪不再遲疑，隨著三發信號彈升空，在一片嘹亮的號聲中，機槍、手榴彈、迫擊炮一起開火。突遭打擊的日軍驚恐萬狀亂作一團。
在最初的一輪打擊中，日軍最前面的幾輛汽車被徹底擊毀，狹窄的出路一下就被堵死了，緊接著後面的幾輛汽車也中彈起火，在加上車輛互相撞擊，一時間爆炸傷不絕於耳，士兵們紛紛跳下車來躲避如驟雨般的子彈。但沒過多久，日軍就顯示出了其訓練有素的一面，在失去指揮的情況下，自覺形成小組，以3人為一組背靠背還擊。
一些班、排一級的小股日軍居然很有戰術意識的尋找其我軍的薄弱環節，主動尋找戰機。其中一股日軍竟利用地勢地形的掩護，成功奪走了685團的一個機槍陣地。而且一些被打暈了的日軍此刻也反應過來，迅速集結之下開始借著汽車的掩護，朝公路兩邊的制高點發起衝鋒。
戰場態勢的轉變全都被指揮所裡的林彪看的一清二楚，而他也根據出現的變化不斷進行兵力調控，先是685團的楊得志被他派去搶佔制高點，後是686團的李天佑被派去衝下公路將敵人斬成幾段並搶佔老爺廟。
然而686團攻佔老爺廟的戰鬥打的並不順利，當時在李天佑親自指揮下，三團在衝過公路時遭到日軍集中射擊，傷亡很大，最後只剩下9連的10多位戰士衝上公路與日軍扭打在一起。但經此耽擱，老爺廟的制高點卻被日軍小股兵力搶先佔領。
萬幸的是當時日軍還不是很懂山地戰的特點，而且佔領高地的這一小股兵力也沒有配備強大火力，所以686團急調兩個營的兵力多路突擊前去消滅佔領老爺廟的日軍，而且當地百姓也前來協助八路軍戰士，這才成功奪回高地。
此時，八路軍想在兩邊高地布置火力的目的已經達到，隨著兩邊同時開始的火力壓制以及如冰雹似的手榴彈攻擊後，處於谷底的日軍徹底陷入困獸猶鬥。隨著衝鋒號吹響，八路軍戰士各個如猛虎下山與日軍展開了驚心動魄的白刃戰，喊殺聲傳至遠處的指揮所，林彪透過望遠鏡看著山谷裡的戰鬥，心裡也不禁吃了一驚，日軍的單兵作戰能力大大超出了他的估計。
當時686團3營的戰士是最先衝上公路與日軍展開白刃戰的，因為剛下過雨，他們腳下的土地被幾百人踩過後變得滑溜溜的，不時有八路軍戰士或日本兵摔倒，接著就有人撲上去用刺刀捅向對方身體，日本兵都明白自己的處境，所以他們戰鬥的格外狠，咬著牙狠衝狠拼，他們還組織了五六百人的兵力對老爺廟發起了十幾次攻勢，但都被八路軍戰士又打了回去。
血戰一直持續到下午，直到687團的官兵從側後方猛攻而來，溝底的日本兵才終於開始潰敗，這頭困獸至此終於被裝進了口袋。指揮所裡的林彪注視著谷底的戰鬥，他的心也是擂鼓般怦怦亂跳，原因無他，這是一場全新的戰鬥，超出了他過去的經驗範圍。紅軍曾經值得驕傲的白刃戰面對如此訓練有素的日軍，威力難以發揮。
沒有俘虜
至下午一時左右，隨著林彪適時將預備隊投入戰場以及686與687兩團匯合，谷底日軍被全殲，雖然還有個別日軍做垂死掙扎，但已是大勢已去，見此，匯合後的兩團又一起向辛莊的殘存日軍殺去。
槍聲漸歸沉靜但戰鬥並未結束，長達四公裡的戰線上已沒有一名能夠戰力的日軍，當時為了戰後起到宣傳作用，聶榮臻副師長曾專門陳述了俘虜的重要意義，但誰知我軍戰士不僅一個俘虜沒抓到，反倒自己付出了沉重代價。
根據686團團長李天佑的回憶「有個電話員正沿著公路查線，看到個未死的鬼子，就跑上前說了繳槍不殺，優待俘虜，但誰知那傢伙揚手一刺刀扎進了電話員的胸口。有位營長背起個半死不活的日本兵準備送往急救站，半路上傷兵醒來一口咬掉了那營長的耳朵...」諸如此種不勝枚舉，所以當時的戰鬥打的很激烈，敵人的傷兵同八路軍戰士的傷員扭打在一起，直到拼死為止。
當時687團好不容易抓到個鬼子，想把他送到後方去，結果怎麼也弄不走，於是就把他綁到了擔架上運送，誰知他一直都不老實，半道掙脫了繩子滾了下來，有個戰士想去抱他結果鬼子張口就咬，這個戰士一怒之下將其擊斃。當時協助八路軍的百姓也抓到了個鬼子，但這鬼子也是見人就踢，逢人就咬，活脫如一隻瘋狗，這讓當時的鄉親們可氣壞了，直接就把他拉到了山梁上一頓搞頭把他打死了。結果是，這麼大一場伏擊戰打下來，卻一個俘虜也沒抓到，這在紅軍戰鬥史上尚無先例。
其實之所以會出現這種抓不到俘虜的局面，除了他們自己所謂的武士道精神和法西斯教育外，最重要的是他們對中國軍民太殘暴了，他們害怕自己被中國人報復；另一方面是華北軍隊過去對日本俘虜採用的政策不正確，他們往往抓到日本俘虜後就用活埋、火燒、剖.肚等手段，在日軍中留下了不好的影響，所以日軍害怕做俘虜。
零的突破
如果把平型關戰役拿來和李宗仁指揮的臺兒莊會戰或是杜聿明指揮的崑崙關會戰相比，林彪指揮的平型關戰役只能算是一個小仗，但他在人們心中的地位確是無可替代的，這是因為，平型關之戰是抗日戰爭全面爆發以來日軍遭到的第一次重大打擊，它的意義在於中國自全面抗爭以來的「零的突破」
此役115師共殲日軍1000餘人，擊毀汽車100餘輛、馬車200餘輛，繳獲步槍1000餘支、機槍20餘挺，勝利之消息震動全國。