日军浩浩荡荡，不可一世，根本没有把八路军放在眼里，因它完全相信自己的实力，可以长驱直入。
日军相对于八路军来说， 实力确实强大。第5师团辖步兵2 个旅团，每旅团辖步兵2 联队，每联队配备三八式步枪2124 支、轻机枪72 挺、掷弹筒76个、重机枪24 挺、大队炮6 门、三八式步枪66 支，掷弹筒1 支。每联队辖步兵3 个大队，每大队配备三八式步枪686 支、轻机枪24 挺、掷弹25 个、重机枪8 挺、炮2 门。每大队辖4 个中队，每中队辖3 个小队，每中队配备三八式步枪168 支、轻机枪6 挺、掷弹筒2 支。此外，每联队还配属联队炮兵中队1 个，配备山炮4 门、速射炮中队1 个，配备37 毫米炮4 门。每师团辖骑兵联队1 个，每联队辖骑兵2 个中队，每中队配备马枪123 支，轻机枪小队1 个，配备轻机枪2 挺。野炮或山炮联队1 个，每联队辖炮兵4 个大队，装备野炮36 门（每大队12 门）、炮12 门、三八式马枪315 支。工兵联队1 个，辖工兵3 个中队，配备三八式步枪200 支。
辎重联队1 个，辖辎重6 个中队另1 个马场，配备三八式马枪329 支。全师兵员系驮马装备的师团为2.82 万人，挽马装备的师团为2.44 万人。
第5 师团每次出动作战，均配属1 个战车大队，该大队辖战车3 个中队，大队装备轻战车39 辆。装载17 毫米战车炮39 门、轻机枪120 挺、轻装甲车21 辆。
9 月25 日，天亮了，雨也停了。雨后的山野在阴沉沉的天色下显得十分宁静，似乎透着几分死亡的气息。
部队已按预定计划全部埋伏在公路南侧的山地。师指挥所设在一个较高的山头上，有一片小树林便于隐蔽，人站在山顶，用望远镜可以清楚地看到沟底的公路。
林彪举起望远镜向远处望去，但见群山之上，蜿蜒着古老雄伟的长城，平型关坐落在群山之间。这一带山势不高，但是山连山、峰连峰。俯视沟底，连接平型关山口至灵丘县东河南镇的一条狭窄沟道尽收眼底，沟道两侧，是刀削似的危岩绝壁，再上面是比较平缓的沟岸。
一切布置停当，剩下来只有耐心地等待了。
时间一秒一秒缓缓滑过，谷底的那条公路如一条死蛇般静卧着。
平型关战斗中的115 五师指挥所
突然，一阵汽车的马达轰鸣声打破了沟谷间异乎寻常的寂静。日军第5师团第21 旅团主力4000余人，沿着灵丘县东河南镇至平型关之间的公路向西开过来。只见右前方先是出现一个小红点，慢慢向前移动，后面黑压压一大片。小红点越来越近，用肉眼也能看得清清楚楚。为首的高举着一面膏药旗，与膏药旗几乎并排走着的有20 几个尖兵，距离他们20 米远，是大批日军步兵，刺刀映着阳光，闪闪发亮。往后是载着日本兵和军用物资的100 余辆汽车， 骡马炮队、200多辆大车拉着炮弹和给养随后跟进，压阵的是骑着高头大马的骑兵。日军一路几乎没有遇到什么抵抗，因此几乎毫无戒备。头戴钢盔、脚穿皮鞋、身披黄呢大衣的日军步兵，晃晃荡荡，盛气凌人，满不在意地走着。由于道路狭窄，加之雨后泥泞，人马车辆行动迟缓。
清晨7 时许，日军进入八路军的伏击圈。所有的干部战士紧盯着眼前的敌人，为即将到达的大战而激动着，一些人心头绷得紧紧的，他们在等待发起进攻的命令。然而，时间过了十几分钟，师指挥部仍没发出作战命令。人们在焦急地等待。686 团团长李天佑有些沉不住气了，抓起耳机问了望哨：
“喂，敌人全进伏击圈了吗？”
“通灵丘的公路上已经看不见敌人了。”
这就是说，坂垣师团已经全部进口袋了。他撂下听筒，马上派参谋去报告师长。
正在这时，突然，敌人向两侧山上开枪扫射。他同杨勇惊愕地交换了一下眼色：怎么平型关战斗最激烈的地点——秃沟回事呢？难道敌人发觉我们了？他们以往是长驱直入的，既然火力搜索，一定是发觉我们了。怎么办呢？去师部报告的参谋还没有回来。为了不让敌人有所准备，他决定马上下达攻击命令。
正在这时，林彪与聂荣臻，向伏击部队发出了攻击信号，全线突然开火。公路南的山岗震撼了，爆炸了。全线部队居高临下，向敌展开猛烈的火力袭击。手榴弹、机枪、迫击炮的爆炸声搅成一团，拥挤在公路上的日本鬼子立时人仰马翻。
此时，由于刚刚改编为八路军，加之弹药奇少，八路军仍保留着红军作战时传统打法。在日军突遇袭击，一片混乱之际，林彪立即下令部队出击，乘势冲向公路杀入敌阵，同敌人展开白刃格斗。山谷间骤然响起激昂的冲锋号和惊雷般的喊杀声。八路军勇士呐喊着向敌人扑去。
杨得志的685 团首先从关沟以北高地迎头将日军截住，歼灭其一部，封闭了敌人南窜的通道。杨得志给我们留下了这样一段回忆：
刹那间，公路上满是我们的人。遥看东面的公路，一直到老爷庙一带，兄弟团战士们，也差不多和我们同时成排成连地涌向公路，把鬼子拦腰斩成几段乃至几十段。
鬼子们一片慌乱，四下乱窜，战士们端起刺刀，到处追杀，被刺死、打死的敌人满地都是。
战斗是残酷的。残存的敌人，钻到汽车底下顽抗起来了。更令人着急的是，敌人也渐渐复活了指挥系统，吃够了在沟底挨打的苦头以后，有了抢占制高点的企图。
应当说在沟底挨打的日军还是很有战斗力的。林彪在战斗结束时写的作战总结中写道：敌人确是有战斗力的。也可以说，我们过去从北伐到内战还不曾碰过这样强的敌人。我所说的强，是说他们的步兵也有战斗力，能各自为战，虽打败负伤了亦有不肯缴枪的。战后只见战场上敌人尸体遍野，却捉不着活的。敌人射击的准备，运动的隐蔽，部队的掌握，都颇见长。对此种敌人作战，如稍存轻敌观念，作浮躁行动必易受损失。
当日军正从最初的懵懂慌乱中清醒过来时，他们的骄横、凶狠、毒辣、残忍的本性开始发作了，指挥官舞着军刀拼命地嗥叫着，钻在汽车底下的士兵站出来拼命地往山上爬。
真正考验人的意志和能力的时候到了。685 团2 营5 连连长外号叫“猛子”的曾贤生，在20 分钟的时间里，率全连用手榴弹炸毁了20 多辆汽车。在白刃格斗中，他一个人刺死十几个鬼子。他身上到处是伤是血，一群鬼子在向他逼近。刺刀拚弯了，子弹打完了，曾贤生面对着一群向他逼近的鬼子，拉响了仅有的一颗手榴弹，与敌人同归于尽，壮烈殉国。
连长的壮烈行为感染着每一个热血战士。杨得志这样回忆道：在连长牺牲后，指导员带伤指挥部队；排长牺牲了，班长顶替；班长牺牲了，战士接上指挥，就这样，前仆后继，打到最后， 全连只剩下30 多位同志，却仍然顽强地与敌人拼杀。3 营的9 连和10 连， 冲上公路后伤亡已经很大，但他们依然勇敢地与敌人拼杀，以一当十，没有子弹了就用刺刀，刺刀断了就用枪托，枪托折了就和敌人抱成一团扭打，哪怕只有几秒钟的空隙，他们也能飞速地拣起石块将鬼子的脑壳砸碎。
最激烈残酷的战斗是在686 团的方向。
李天佑在接到师部攻击开始的命令后，即向担任突击的1 营发出了攻击的命令。
副团长杨勇亲自下到连队指挥。在一片号声中，战士们勇猛地向公路冲去。但是八路军的火力压不住日军的火力，战士们像野草般一片片地倒下，冲上去的战士也一个又一个地倒下了。然而“冲啊！”“杀啊！”的喊声还是不断。眼见一部分敌人已经爬过半山，占领了老爷庙，李天佑急了，他对3 营长下达了死命令：“3 营长，不要怕伤亡！猛冲，冲上公路就好啦！”
山沟里烟雾弥漫，枪声震耳。战士们钻进烟雾里，往前跑，往前爬，往前滚，终于冲上了公路，同敌人展开了白刃格斗。枪托飞舞，马刀闪闪，吼杀声、爆炸声交织在一起，卷起阵阵尘埃和浓密的黑烟。
陈光见沟里的肉搏战愈演愈烈，不禁吃了一惊。日军的单兵作战能力和顽强程度大大超出了八路军指战员的估计。他们枪法很准，尤其擅长拚刺刀，三个人背靠背使得十几个人都靠不了身。那些被打散的散兵游勇战术观念很强，即使没有组织指挥，仍然能自寻战机。有几个日本散兵被逼上了路南的山坡。
这无疑是一场全新的战斗。红军值得骄傲的近战、白刃战面对训练有素的日军，威力难以充分发挥；阵地前喊话是我军瓦解敌人的重要方式，可是敌人听不懂中国话。
在冲上公路后，我们指战员仍然以为把敌人打垮了，敌人会像国民党军队那样缴枪投平型关战斗中115 师某部的机枪阵地降，但敌人却不是这样，结果因此导致了不应有的损失。李天佑在他回忆录中这样写道：
约摸拼杀了半个小时，敌人被我们打得爬到汽车底下去了。我们不懂得烧毁汽车，使其失去屏障，还把日寇当成国民党军，以为打狠了就会缴械。战士们向打熊了的躲在汽车下的敌人喊起话来：“老乡，缴枪不杀！”然而，他们并不是中国人。他们不仅听不懂话，而且是一群经过武士道训练的野兽！他们满脑子里装的是占领中国，他们只懂得向中国人开刀，喝中国人的血，吃中国人的肉！
因此，许多战士由于缺乏对日寇作战的经验，反而被垂死的敌人杀伤。记得1 营一个电话员，正沿着公路查线，看见汽车旁躺着一个半死不活的鬼子，他跑上去对那鬼子说：“老乡，缴枪不杀，优待俘……”没等他说完，那家伙扬手一刺刀，刀尖刺进了电话员的胸部。有的同志想把负了重伤的兽兵背回来，结果自己的耳朵叫敌人咬掉了。
更有的战士上去给哼哼呀呀的野兽裹伤，结果反叫敌人打伤了，或者牺牲了。
此时，老爷庙成为两军争夺的焦点。686 团3 营是最先冲上公路与敌展开肉搏的部队。经过半小时的厮杀，伤亡很大。该营9 连只剩下20 多个战士，班长以上干部几乎全部阵亡。3 营长带伤指挥官兵往公路北侧的老爷庙冲击。李天佑果断下令将团指挥所移往沟底，直接指挥作战。在1、2 营的掩护下，3 营终于夺取了老爷庙制高点。
日军眼见最后的一个制高点被占领，队伍被切成几段，有被打成死蛇的危险，立即组织反扑。然而老爷庙几乎就在日军的中心位置，日军先进的装备，包括远程火炮、快速骑兵都失去了作用，而近战正好是装备处于劣势的八路军的特长。穿着笨重皮鞋的日军步兵，成群地往上爬。八路军战士一直等到他们快要爬到山顶时，才猛然发起冲击，使日军的进攻徒然在阵地前增加尸体而已。
黔驴技穷的日军，为了鼓舞士气，出动了飞机。敌机贴着山头盘旋，发出刺耳的声响。一位参谋有点沉不住气了。
“团长，飞机！”
李天佑扫视了一眼敌机，说：“沉住气！敌人靠近了我们，它不敢扔炸弹！”
就这样，在老爷庙高地，3 营和具有优势装备的日军进行着殊死的战斗。其中第5连2 排的干部战士，直至全部战死。由于3 营指战员的顽强抗击和不断反击，以及第1、2 营的积极配合，日军的突围企图始终未能得逞。
坐镇蔚县县城的坂垣征四郎，得知其第21旅团陷入重围，危在旦夕，大惊失色。
他百思不得其解：我精锐之第5 师团，自投入华北作战以来，还没有遇到对手。此次绝非阎锡山国民党军队所为，那会是谁呢？
他想来想去，最后想到了中国共产党领导的八路军。八路军如此迅速地进入华北前线，完全出乎他的预料。情急之下，他不敢懈怠，急令在蔚县的第21 旅第42 联队主力，火速前往救援，并令已进至涞源以西的第9 旅团的1 个联队，先期到达平型关，以解第2l 旅团之围。这样，杨成武的独立团300 余人要迎面阻击500 多名日军的进攻。然而，更为麻烦的是，当杨成武的独立团来到驿马岭时，日军的先头部队已经占领了驿马岭有利地形，并在驿马岭顶上的隘口布置了火力，以此作为支撑点向阻击阵地进攻。见此情景，杨成武决定无论如何要拿下隘口，控制整个战场。他让1连承担正面阻击任务，2 连从右翼袭取隘口，3 连迂回攻占南面比隘口更高一点的山峰，用火力压制敌人。
战斗开始了。由于敌人的兵力、装备明显优于八路军，战斗的激烈、残酷程度比关沟的伏击战有过之而无不及。身经百战的老将军杨成武这样回忆这场战斗：
11 连阵地忽然站起一个满身是泥的人，挥动驳壳枪，率领战士们冲锋。他是1 连连长张德仁。此时他的帽子不见了，大步如飞地朝敌人冲去。半道上，他把驳壳枪往腰上一插，一躬身，拾起敌尸旁的一支三八大盖枪，打开枪刺，又前进了。不一会儿，他领着战士们喊着“杀——”冲进敌群，与敌展开了肉搏。一霎时，猛烈的刺刀碰击声隔得很远都能听见。
几分钟后，下到公路上的敌人被他消灭了。张德仁从敌尸手里摸了一支枪，擦去溅在脸上的血，沙哑地喊了一声：“上啊！”又朝隘口冲去。
他像松鼠似的，又蹦又跳，紧随着溃退之敌，一步不放地往山上冲，致使敌人无法用火力阻挡。
115 师主力登山越岭，占领有利地形。
平型关方向不时传来隆隆的炮声。敌人有些慌乱了。杨成武当机立断，急令身旁的司号员吹号，命令埋伏在山侧的2 连从右翼阻击隘口。一阵激战下来，八路军战士的英勇拼杀，使日军晕头转向，心惊胆颤，不知道八路军究竟有多少人。独立团利用这一战术打乱了敌人的部署，使占绝对优势的敌人不敢轻举妄动，从而为主力全歼被围之敌赢得了宝贵的时机。
平型关地区被围日军待援不成，只得孤注一掷。下午4 时左右，蔡家峪以东的日军一部与小寨村以南被围日军汇集后，在6 架飞机的掩护下，以密集队形再次向老爷庙高地猛攻，企图冲出一条活路。
但是，战斗打到目前这个地步，日军的飞机、大炮已完全失去作用。686 团全体干部战士，发扬连续作战的精神，以步枪、机枪、手榴弹将凶残的日军阻挡在阵地前，不能前进一步。被击溃的日军，凭着武士道决死精神，决定做最后的挣扎，拼死向老爷庙反扑。此时，负责扎袋口的687 团已经攻上来了，日军后尾开始乱成一团。李天佑看到时机成熟，手中红旗一挥，部队乘势发起反攻，冲下公路，在687 团的有力协同下，一举将敌全歼。
第343 旅歼灭被围之敌后，除留第686 团第3 营在老爷庙以北高地向河南镇方向警戒外，旅主力向平型关方向东跑池之敌发起攻击。黄昏时，第685 团攻占了东跑池东北1900 高地，第686 团也逼近该地。东跑池附近有先到之敌2000 余人，该地日军本是国民党第6 集团军8 个团的攻击目标，但国民党军出尔反尔，在八路军激战之时却按兵不动，致使残敌由团城口突围。
当夜幕将要降临时，平型关大战结束了。
