平型關位於晉東北內長城上，一向是晉、冀兩省相通的重要隘口。從平型關至靈丘的東河南鎮，有一條西南、東北走向的狹窄穀道。其中，關溝至東河南鎮，長約13公里，溝深數十丈不一，是地勢最為險要的地段。
溝谷內，一條公路蜿蜒其間。公路北側，山高坡陡；而南側山低坡緩，易於部隊埋伏出擊。日軍第5師團師團長板垣徵四郎"所以選擇平型關作為迂迴的路線，因為他清楚這裡是山西和河北交界的地方，是個比較薄弱的環節。他自帶隊進攻華北以來，遇到的都是不戰自退的國民黨軍隊，氣焰驕縱得很。他有個錯誤的估計，以為我軍不可能這樣快東渡黃河，根本沒有估計到在他眼皮底下會有一支嚴陣以待的八路軍隊伍。"
戰局發展的結果表明：板垣徵四郎的判斷是錯誤的。但平型關地區，的確是八路軍易於發揮火力、伏擊殲敵的理想戰場。
1937年9月，第115師在靈丘以南的上寨村，召開了全師連以上幹部動員會議。
會上，師長林彪分析了戰局，講明第115師的勝利條件；副師長聶榮臻作了深入的政治動員，著重闡明為什麼打這一仗和如何打好這一仗；並確定了作戰部署。
第115師的具體兵力部署是：以第343旅第685團先敵佔領關溝至老爺廟一線南側高地，截擊敵先頭部隊，即"攔頭"；以第686團佔領老爺廟至小寨村一線南側高地，實施中間突擊，分割沿公路進攻之敵，爾後向東跑池方向發展進攻，即"斬腰"；以第344旅第687團佔領蔡家峪、西溝村和東河南鎮一線陣地，斷敵退路，即"斷尾"；以師直獨立團和騎兵營進抵靈丘至淶源、廣靈之間，阻擊敵人增援；以第688團作為師預備隊，部署在東長城村。
會議強調："中華民族正在經歷著巨大的考驗！我們共產黨人，應該擔當起，也一定能夠擔當起這救國救民的重任！"會後，各旅、團和連召開軍政委員會、黨支部會，進行戰鬥動員；組織各級幹部現地勘察，落實任務；戰士們忙著擦拭武器，領取彈藥，每個人能夠領到兩顆手榴彈和100多發子彈。
平型關戰役，首戰告捷。八路軍第115師殲日軍第5師團輜重部隊和第21旅團一部共1000餘人，繳獲步槍1000餘支、機槍20餘挺、九二式步兵炮1門、戰馬50多匹，擊毀汽車100餘輛、大車200餘輛。中共中央軍委指出："現在我們已打下了一個勝仗，興奮了友軍與人民，從此更進努力，最後勝利是我們的。"
平型關大捷，是八路軍出師華北抗日前線後，慎重初戰，充分做了戰前準備，善於利用地形，正確調動兵力，發揮近戰特長，首次進行的一次成功伏擊戰。10月1日，毛澤東致電博古、葉劍英等，指出：我們捷報發至全國。連日各省祝捷電甚多，其中有蔣介石、楊虎城、馬鴻逵、範長江、龍雲、孫蔚如，上海大公報、上海職業救國會，浙江、福建、湖北、廣東、陝西、河南各省黨部，武漢行營，開封綏靖公署，浙江、福建各省政府，浙江抗日救國會等。
當時，轄區包括平型關在內的第二戰區民族革命戰爭戰地總動員委員會主任續範亭先生撰文讚譽，指出："謹按平型關戰役，八路軍的大捷，其估價不僅在於雙方死亡的慘重，而在於打破了'皇軍'不可戰勝的神話，提高我們的士氣。在敵人方面，從南口戰役以來，日寇長驅直入，如入無人之境，在平型關忽然受到慘重的打擊與包圍被殲，使日寇知道中國大有人在，銳氣挫折，不敢如以前那樣的長驅直進。忻口戰役敵人未敢貿然深入，我軍士氣高漲，未嘗不是平型關殲滅戰的影響。"
平型關大捷，給予侵華日軍迎頭一擊，打破了"皇軍"不可戰勝的神話，遲滯了日軍的戰略進攻，打亂了其沿平綏鐵路右翼迂迴華北的計劃，是八路軍打的第一個大勝仗，也是全國抗戰以來的第一個大勝利，在國內外產生了良好的影響。在國際上，它也使把中國看成是"一盤散沙"，視中國人為"東亞病夫"、"不堪一擊"的人們刮目相看：中華民族是一個不可欺侮的民族，中國人民是一支不可戰勝的力量。
在國內，它加強了共產黨及其領導下的人民軍隊在抗日民族統一戰線中的地位和作用；使各界人士看到了勝利的希望，增強了全國人民堅持抗戰到底的信心和決心；同時，為共產黨及其人民軍隊，深入敵後，團結廣大群眾，開展游擊戰爭，創建抗日根據地，擴大了影響。
在平型關戰役中，八路軍傷亡400餘人，付出了沉重的代價。
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