115師由紅一方面軍第1軍團、第15軍團和紅軍第74師等部編成，分為343旅和344旅。因戰事緊急，115師沒改編完就上了前線。師長林彪和副師長聶榮臻在出發後，冒大雨騎馬到了西安。接着，林彪坐火車到潼關，再坐木船渡過黃河。聶榮臻陪周恩來去太原，與第二戰區司令長官閻錫山協商115師進入山西的路線。“小氣”的閻錫山當然不歡迎八路軍，不過蔣介石都同意了，他也就沒辦法了。
9月上旬，115師從晉西南的侯馬陸續乘火車北上。同蒲路（貫穿山西省中部的南北鐵路幹線，自大同經太原、侯馬至蒲州鎮以南的風陵渡）被洪水沖斷，只好修一段走一段。在太原和忻口間，鐵路坡度太大，又超載，火車上高坡時戰士們只好下來推火車。9月20日，115師進至平型關以西的大營鎮待命。
同樣是在9月20日，日軍第5師團長、中將板垣徵四郎率21旅團一部佔領靈丘縣城，逼近平型關。板垣徵四郎出任日本關東軍參謀長時曾策劃“九一八事變”。閻錫山和板垣徵四郎曾是日本士官學校的同學。1936夏天，板垣作為日本關東軍代表特意到太原拜訪閻錫山。板垣徵四郎很“鬼”，他乘汽車從察哈爾繞蔚縣、代縣進入山西，還不時徒步，藉機偵察地形。
平型關位於山西東北部，和河北交界，地勢險要，自古就是長城南端的重要隘口。為什麼這位中國通偏偏選擇對進攻不利的平型關呢？答案是因為這是進攻雁門關的必經之路，穿過平型關可以儘快實現日軍的計劃。
此時的閻錫山雄心勃勃，制定將日軍放進平型關內加以圍殲的決戰計劃。他任命傅作義為總指揮，以一個師加兩個旅作為總預備隊，以8個團的兵力從內長城外側公路向東、西跑池、小寨間迂迴，側擊日軍右側背。八路軍115師的任務是從平型關東邊的山地夾擊日軍，斷敵後路。
平型關大捷前，不要説國民黨軍，連山西老鄉也看不起“土八路”。日軍在中國如入無人之境，突然被狠狠地“當頭一棒”，日本國內也暈了頭。平型關擊斃的日軍軍官最高是個營級，可第二天的日本報紙竟登出板垣徵四郎的“死訊”。
9月26日，毛澤東致電朱德、彭德懷等，祝賀八路軍開赴抗日前線首戰告捷。全國的賀電雪片一樣飛來，蔣介石興奮得一天連發兩封嘉獎電。閻錫山的抬着豬羊來慰問，國民黨的文藝團體也來了，還拍了電影。老百姓更是高興極了，連五台山的和尚也加入了敲鑼打鼓的隊伍。
戰事緊急，剛到大營的林彪沒休息，馬上給中央軍委和八路軍總部發電，報告作戰計劃。9月23日，聶榮臻率344旅和師司令部從五台山繞小路，過龍泉關，經阜平北面過來。先到的林彪等不及，三次到平型關偵察地形。據林彪的警衞員楊興桂回憶：“林彪帶着團幹部偵察，他穿着一件破褂子，隨便紮根布腰帶，頭上戴一頂氈帽，活像當地的農民。路上沒飯吃，他和大家一起吃生地瓜。回來大家都很累了，我半夜醒來，看見林彪還盯着地圖。”
平型關東側的喬溝是通向靈丘、淶源的公路，僅能通過一輛汽車。溝深數丈，只有老爺廟前有一個缺口。南北溝岸也比較平坦，便於隱蔽和發揮火力優勢，是設伏的好地方。林彪決定埋伏在喬溝至東河南鎮兩側，來個甕中捉鼈。
9月23日，八路軍總部接到閻錫山關於平型關的作戰電報後，立即命令115師9月24日拂曉進入陣地。115師在上寨國小召開連以上的幹部會議，進行戰前動員。這時國民黨第二戰區來電，通報日軍先頭接近平型關。此時已是9月23日15點，距發起攻擊的時間只有10多個小時了。
115師迅速出發，電台正要關機，突然收到八路軍總部的特急電報：“據第二戰區電，他們不能按時抵達平型關地區，傅作義決定推遲一天。”林彪只好派騎兵通信員向正在行軍的傳達。當夜115師主力進至離平型關30餘里的冉莊待命。在閻錫山的平型關作戰計劃中，林彪只是一個小小的師長，他的直接上級還不是傅作義，而是國民黨第六集團軍副司令孫楚。也幸虧推遲了一天，如果115師在9月24日進入伏擊區，很可能與日軍主力不期而遇，不僅很難大捷，弄不好還要遭受較大損失。
平型關大捷的意義可以從多個方面分析出來，首先平型關大捷的意義在於將之前低落的抗戰熱情全部鼓舞起來，同時也激發了更多戰士們的鬥志，從前那麼多場戰爭中，中方總是處於被動局面，而且受到的傷害也是最大的，而平型關大捷卻是開創了全新的局面，日軍不會失敗的傳説也被徹底的粉碎，在這之後很長一段時間內，戰士們身上都有着極大的鬥志和熱情。
其次平型關大捷的意義還在於想更多的人展示了八路軍的實力。當時八路軍的裝備不僅十分的落後，和日軍更是完全不可以做出比較，然後就是憑藉着這樣的條件，八路軍給了日軍當頭一棒，這足可以説明八路軍的戰鬥力是非常高的，從此也在世人面前提高了八路軍在人民心中的地位。
而平型關大捷意義的最後一點，同時也是在戰略上非常重要的一點就是中共有了新的作戰方針。這次平型關大捷意義重大，而且還讓毛澤東從中看出了日軍的缺陷，這時候才完全明白原來日軍在野戰能力上居然如此之弱，於是他根據這個特點制定了新的方針，那就是將游擊戰爭擴展開來，這樣一來也為日後的許多勝利奠定了基礎。
可惜115師的“胃口”太小，要想吃掉4000多日軍不太可能，林彪盼着閻軍迅速出擊。可是眼看戰鬥快結束了，閻軍那邊還是一點動靜都沒有。林彪派司令部二科科長蘇靜以特派員的身份，兩次“請”他們配合一下八路軍作戰。閻軍指揮官説上邊不讓“輕舉妄動”。不過還不錯，閻軍堵着北面的山嶺，沒腳底板抹油。林彪在東跑池一帶用紅筆畫了三個重重的紅圈。閻錫山關於平型關的出擊計劃多麼好啊，五支紅箭頭除了擔任正面防禦外，8個團的兵力分三路向平型關西、北方向出擊。可是到了下午，平型關的日軍都逃走了，對面的閻軍卻還在坐山觀虎鬥。
685團團長楊得志回憶：“狡猾的日軍發現東跑池沒有槍聲，就從那裏突圍了，我們只好眼睜睜地看着他們跑掉。”作戰科科長王秉璋回憶：“幸好我們115師是側擊，否則日軍突圍，那我們的傷亡可就大了。”按照林彪的作戰計劃，平型關戰鬥本不算結束，第二天還要再打個大仗。可閻軍放棄了平型關正面的制高點團城口大山，黃昏降臨，115師不得不撤退了。老將軍們認為，如果閻軍也同時出擊，那平型關的戰果肯定會更大。
對於被包圍的日軍板垣第五師團的情況，115師並不清楚，他們也是戰後從繳獲的戰利品和作戰地圖上才瞭解到的。在戰事結束後，對戰果的統計也不太統一。近年來的研究結果是：115師斃傷日軍1000餘人，擊毀汽車100餘輛，馬車200餘輛，我方傷亡500餘人。
據當時的115師代參謀長孫毅回憶：“平型關大捷的那天夜裏，我和林彪、聶榮臻住在距平型關幾里路的小山村。我們睡在一個土炕上，一向寡言的林彪和聶榮臻竟聊到天亮。”
9月25日7點多，“鬼子”來了！轟隆隆的馬達聲越來越響，快接近老爺廟時，叭叭兩顆信號彈躍上天空，685團打響第一槍，接着炒豆般的槍聲響成一片，機關槍、迫擊炮、手榴彈砸下去，好幾輛汽車中彈起火。大搖大擺的日軍傻了，他們在中國還沒受過這般打擊！頓時亂了套，車撞車，人碰人，好一陣才清醒過來，趴在車下還擊。
在115師擺出的“長蛇陣”中，平型關左面的“蛇頭”是楊得志、陳正湘的685團；右面的“蛇腰”是李天佑、楊勇的686團；“蛇尾”是徐海東的687團。688團作為預備隊，楊成武的獨立團和劉雲彪的騎兵營負責打援。日軍被“砍”成三段，最前面是百餘輛裝滿日軍的汽車，後面是200多輛滿載輜重的騾馬大車。因為日軍還未完全進入包圍圈，戰鬥就打響了，徐海東的687團竭力不讓押車的敵軍騎兵逃走。
八路軍的武器差，射程短，衝鋒號幾乎沒斷音，戰士們揮起大刀，和日軍搏鬥，那首着名的抗戰歌曲《大刀向鬼子頭上砍去》就出自這裏。日軍單兵作戰的頑強大大超出估計，許多身經百戰的老戰士也是第一次經歷這麼激烈的戰鬥。
打得最艱苦的是686團，副團長楊勇主動要求帶三營爭奪老爺廟。衝上公路後，三營傷亡很大，九連幹部全部犧牲了，楊勇和三營營長也負了傷。至今平型關一帶的老鄉還流傳着楊勇和鬼子拼刺刀的故事。在與日軍白刃格鬥爭奪制高點時，來了兩架日軍飛機，一看雙方絞在一起，沒法扔炸彈，轉了兩圈悻悻飛走了。
老將軍們最惋惜的是，這一仗的指揮原是時任國民黨第二戰區北路前敵總司令的傅作義，但國民黨“熊”了，沒敢放一槍，否則戰果會更輝煌。事情的由來是這樣的：
1937年7月7日，日軍侵佔中國東北三省和熱河、冀東後，突然向北平城西南的中國進攻。第二天，中國共產黨中央委員會通電全國，號召全民抗戰。陝北的紅軍將領集體致電蔣介石，強烈要求開赴山西前線。中共中央派高級領導人周恩來等人飛赴廬山，與蔣介石商談共同抗日。但蔣介石仍想對日媾和，一拖再拖，直到8月13日，日本侵略軍大舉進攻上海，馬上要打到南京了，他才不得不同意建立抗日民族統一戰線。周恩來提出紅軍改編六個師，蔣介石只同意編四個師。為使國共談判迅速成功，周恩來表示同意。8月25日，中央軍委下令陝甘寧地區的紅軍改編成國民革命軍第八路軍。9月11日，按戰鬥序列改稱第18集團軍，轄115、120、129三個師，每師1.5萬人。
自8月22日起，八路軍第115師等部陸續東渡黃河，進入山西境內，開赴抗日前線。
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