1937年9月21日，板垣徵四郎率領第5師團部從渾源翻越高山南下，襲擊守軍第17軍側背。日軍第21旅團主力則由靈丘南進，從正面進攻平型關，遭到了第33軍孟憲吉部第呂旅的頑強抗擊：日軍的援兵不斷增加，於是兩軍在平型關前展開了大戰。此時，第7集團軍總司令傅作義率領預備部隊前來增援，日軍攻勢受挫，被擋在了平型關外，無法繼續向前展開攻勢，進展不動。
9月24日，第116師師長林彪與副師長聶榮臻親自率領營以上幹部前往前線，偵察地形後決定在平型關東北方的關溝至東河南村長約10餘公里的公路兩側山地設置伏擊陣地，用“攔頭、截腰、斬尾”的戰術殲滅由靈丘而來的日軍。24日夜間，八路軍第115師主力冒大雨進入預伏陣地，進行了充分的戰鬥部署。
26日，日軍第21旅團第21聯隊第3大隊，乘100餘輛汽車和200餘輛瑙重馬車沿公路向平型關緩慢開來，7時左右，全部進入116師的預伏陣地。由於道路狹窄，且雨後路面非常泥濘，日軍車輛和人馬擁擠堵塞，行動比較緩慢。林彪抓住戰機，命令第115師全線開火。第687團第5連連長曾賢生率部向敵衝殺，用手榴彈炸燬敵人最後一輛汽車，切斷了日軍退路。第685團則迎頭截擊，封閉了日軍南竄之路。被擊毀的日軍汽車、馬車充塞道路，致使兵力無法展開。第686團在老爺廟高地，擊退了敵人的多次反撲。第115師官兵越戰越勇，開始分割圍殲敵人。激戰至到午後，八路軍第115師取得了中國軍隊對日全面抗戰以來的首次大捷。
為了支援八路軍第115師作戰，國民黨第6集團軍副總司令孫楚命令郭宗汾的預備第2軍主動出擊，攻擊日軍側後。25日拂曉前，預備第2軍通過澗頭、迷回村前進時，突遭受來自團城口方面工事裡的日軍炮火猛烈襲擊和包圍，傷亡三分之一左右。由於此時第115師獲得平型關大捷後，一部挺進於大、小寒水嶺上，才使郭宗汾部佔穩了陣地，有力的減小了日軍對平型關正面的進攻壓力。
閻錫山鑑於楊愛源和孫楚統御各軍的能力有限，於是命令傅作義負責平型關戰役的總指揮，並命令陳長捷的第61軍迅速援助平型關。第61軍氣勢如虹，一舉攻佔了西跑池和鴉子澗。26日，日軍集中一個旅團的優勢兵力向鴉子澗守軍第434團開展猛烈反撲，程繼賢團長指揮僅剩的兩個營的士兵與日軍展開肉搏拼殺，全團官兵勇往直前，無一逃跑，直到最後彈盡援絕，程繼賢團長以下官兵全部壯烈犧牲。
此時，東、西跑池也展開了激戰。日軍增援部隊趕到後開始發動攻勢，企圖奪回西跑池。呂瑞英旅長率部頑強抵抗，接連幾次粉碎日軍攻勢。日軍重炮兵開到後，立即以強大的炮火轟擊東、西跑池及鴉子澗陣地。駐防東跑池的第8旅第622團，血戰5個晝夜，陣地也多次易手，兩軍形成拉鋸戰，山坡上敵屍累累，守軍也傷亡近三分之二，但仍然堅守不退。
此時，平型關整個作戰區域己經陷入膠著狀態。連續一週的激戰，日軍已傷亡7000餘人，板垣徵四郎經過和部下商議命令關東軍察哈爾派遣兵團第2混成旅團長本多政材率部偷襲茹越口，從而遷回抄襲平型關背後。茹越口是恆山和雁門山之間的要衝，是中央軍劉茂恩的第1軍和晉軍第34軍的結合部。楊澄源的第34軍雖然編制是軍級，但只有2個旅的兵力，姜玉貞的第196旅正駐守陽明堡。所以，實際上只有梁鑑堂部第203旅駐守繁峙，防守力量比較薄弱。
東條英機的戰術是聲東擊西，先擺出攻擊雁門關的架勢，然後，派第15旅團和第2旅團突然轉向東南，直撲茹越口，以一晝夜的急行軍，於9月28日晨一舉突破了茹越口要衝，國民黨第34軍不得不退入繁峙。為了保衛平型關戰場的後方安全，梁鑑堂旅長又親自率領剩餘的一營人馬殺回，企圖重新佔領山口，但因兵力十分懸殊，梁鑑堂旅長和大部分官兵都壯烈犧牲。第19軍軍長王靖國於是急命方克酞旅長反攻茹越口，但又被日軍擊潰。9月29日，日軍佔領了繁峙和鐵角嶺，對平型關主戰場和雁門關主陣地的側後方構成了嚴重威脅。
9月30日，面對平型關戰役此時的戰勢，閻錫山親自來前往繁峙南大營以西沙河鎮的一個小村，召集了傅作義、孫楚、楊愛源、陳長捷、王靖國等前線將領開會。經商議後，決定平型關作戰部隊全線撤退。10月1日，閻錫山下令內長城線上各路軍向雲中山、五臺山、蘆芽山一線轉移，集中兵力在忻口地區組織防禦，日軍不久還是突破了防線，最終佔領了太原。
【1】劉德軍主編:《抗日戰爭研究評述》
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