自“卢沟桥事变”之后，日本帝国主义的狼子野心已昭然若揭，他们在侵占大片我国领土之后又派遣隶属于关东军的察哈尔派遣军兵团挥师南下，直逼雁门关。而为了能完全达到消灭平汉铁路附近国民党军队的战略目的，他们又派遣了另一支当时号称陆军王牌的第五师团向浑源、灵丘方向进攻，企图突破平型关、茹越口，进而达到配合察哈尔派遣兵团打开晋北通路实现占领山西全境。
在此危难时刻，蒋介石领导的国民军事委员会于1937年8月15日下发了全国抗日总动员令，8月25日，我数万红军战士摘下了红五星，换上国民革命军军服，于此危难之际向战场前线开进。
逆流而上
作为东通冀北，西抵雁门的重要关口，平型关是晋冀两省之门户。日军若攻破两关便可长驱直入，兵临太原城下。当时山西的“土皇帝”阎锡山因恐于直面日本攻势又担心仅凭自己防不住长城防线而影响大局，所以他转而极力要求于共产党领导的八路军，希望其尽快出兵。
当时八路军是刚刚由红军改组而来，在这国民党军队节节败退而日军来势汹汹的紧要关头，共产党人不计前嫌，决定以大局为重，点派林彪率领115师开赴抗日前线。这是八路军自改编后面临的第一战。
“受任于败军之际，奉命于危难之间”是对115师出征的真实写照。当时115师由陕西出发东渡黄河，至9月中旬，115师官兵登上了阎锡山派来的接兵车，沿同蒲铁路向平型关急进，至原平车站时因铁路被日军飞机炸毁又改乘汽车前进。
随着部队接近平型关，路上的溃军开始多了起来，尤其让人感到惊讶的是，很多部队甚至和日军都未交手就溃败了。到后来竟如蚂蚁一般铺天盖地，严重阻塞了公路，致使车辆无法正常前行。聂荣臻副师长考虑到士气问题，便大手一挥命令部队放弃汽车，改由步行。
9月21日，核定完作战方略并得到中央首肯的林彪乘坐阎锡山派给的吉普车来到实地查看地形，在翻过1800米的长城关口后，他的视野开阔了，顺着眼前一条由西向东曲曲折折的峡谷甬道他看到了深谷两侧险峻的山壁，而一条公路蜿蜒其间，沿着公路能直抵灵丘，过来灵丘可到冀西······，置身雄关之上的林彪心潮澎湃，因为他知道马上就有仗打了，而且肯定就在附近打。
回到驻地的林彪找来聂荣臻商量行动部署，在将敌情和酝酿已久的计划讲了一遍后，征询聂荣臻的意见，在关于打还是不打的这问题上，考虑到日军当前的嚣张气焰和锐气尽失的友军，聂荣臻知道，此战事关民心士气，因此果断回道“打!"
9月23日下午，林彪在做了战前动员后将几位主要负责同志召集到一起开始做兵力部署，按照他指示：由杨得志带领685团伏击于老爷庙一带，做袋底；由李天佑率领686团埋伏于白崖台一带，负责将敌人分割成段；而687团则埋伏于小寨村一带负责扎口袋。688团留作师的预备队。
至此，一场关乎全民抗战决心、友军直面敌人勇气的伏击战已准备就绪，这支于危难之间迎着溃败友军逆流而上的新生队伍气势如虹，只待气焰嚣张的日本人钻进口袋了。
痛击日军
9月25日拂晓，守在一片玉米的686团听见了自远而近传来的汽车轰鸣声，这让一个个已经潜伏了一夜又被雨夹雪肆虐了一遍的战士们顿时都来了精神。可以看到在膏药旗的后面是二十多个扛刺刀的日本士兵，离他们不远是三路队列的士兵，一眼望不到头的汽车队伍显得声势浩大。
或许是在中国大地上横行惯了，迎面而来的日军在行军途中没有设尖兵探路，两翼也没有搜索部队警戒，大摇大摆甚至是有说有笑的装进了115师为他们量身定做的口袋阵。此时林彪的心里也很激动，因为他知道自己的计划成功了。看着一辆接一辆的日本军车缓缓钻进罗网，林彪也在心中默默地数着。100多辆卡车200多辆骡马车，林彪就像一位沉着的渔夫。
行在最前方的军车停了下来，好似是在等后面的骡马车队，看到这一幕林彪不再迟疑，随着三发信号弹升空，在一片嘹亮的号声中，机枪、手榴弹、迫击炮一起开火。突遭打击的日军惊恐万状乱作一团。
在最初的一轮打击中，日军最前面的几辆汽车被彻底击毁，狭窄的出路一下就被堵死了，紧接着后面的几辆汽车也中弹起火，在加上车辆互相撞击，一时间爆炸伤不绝于耳，士兵们纷纷跳下车来躲避如骤雨般的子弹。但没过多久，日军就显示出了其训练有素的一面，在失去指挥的情况下，自觉形成小组，以3人为一组背靠背还击。
一些班、排一级的小股日军居然很有战术意识的寻找其我军的薄弱环节，主动寻找战机。其中一股日军竟利用地势地形的掩护，成功夺走了685团的一个机枪阵地。而且一些被打晕了的日军此刻也反应过来，迅速集结之下开始借着汽车的掩护，朝公路两边的制高点发起冲锋。
战场态势的转变全都被指挥所里的林彪看的一清二楚，而他也根据出现的变化不断进行兵力调控，先是685团的杨得志被他派去抢占制高点，后是686团的李天佑被派去冲下公路将敌人斩成几段并抢占老爷庙。
然而686团攻占老爷庙的战斗打的并不顺利，当时在李天佑亲自指挥下，三团在冲过公路时遭到日军集中射击，伤亡很大，最后只剩下9连的10多位战士冲上公路与日军扭打在一起。但经此耽搁，老爷庙的制高点却被日军小股兵力抢先占领。
万幸的是当时日军还不是很懂山地战的特点，而且占领高地的这一小股兵力也没有配备强大火力，所以686团急调两个营的兵力多路突击前去消灭占领老爷庙的日军，而且当地百姓也前来协助八路军战士，这才成功夺回高地。
此时，八路军想在两边高地布置火力的目的已经达到，随着两边同时开始的火力压制以及如冰雹似的手榴弹攻击后，处于谷底的日军彻底陷入困兽犹斗。随着冲锋号吹响，八路军战士各个如猛虎下山与日军展开了惊心动魄的白刃战，喊杀声传至远处的指挥所，林彪透过望远镜看着山谷里的战斗，心里也不禁吃了一惊，日军的单兵作战能力大大超出了他的估计。
当时686团3营的战士是最先冲上公路与日军展开白刃战的，因为刚下过雨，他们脚下的土地被几百人踩过后变得滑溜溜的，不时有八路军战士或日本兵摔倒，接着就有人扑上去用刺刀捅向对方身体，日本兵都明白自己的处境，所以他们战斗的格外狠，咬着牙狠冲狠拼，他们还组织了五六百人的兵力对老爷庙发起了十几次攻势，但都被八路军战士又打了回去。
血战一直持续到下午，直到687团的官兵从侧后方猛攻而来，沟底的日本兵才终于开始溃败，这头困兽至此终于被装进了口袋。指挥所里的林彪注视着谷底的战斗，他的心也是擂鼓般怦怦乱跳，原因无他，这是一场全新的战斗，超出了他过去的经验范围。红军曾经值得骄傲的白刃战面对如此训练有素的日军，威力难以发挥。
没有俘虏
至下午一时左右，随着林彪适时将预备队投入战场以及686与687两团汇合，谷底日军被全歼，虽然还有个别日军做垂死挣扎，但已是大势已去，见此，汇合后的两团又一起向辛庄的残存日军杀去。
枪声渐归沉静但战斗并未结束，长达四公里的战线上已没有一名能够战力的日军，当时为了战后起到宣传作用，聂荣臻副师长曾专门陈述了俘虏的重要意义，但谁知我军战士不仅一个俘虏没抓到，反倒自己付出了沉重代价。
根据686团团长李天佑的回忆“有个电话员正沿着公路查线，看到个未死的鬼子，就跑上前说了缴枪不杀，优待俘虏，但谁知那家伙扬手一刺刀扎进了电话员的胸口。有位营长背起个半死不活的日本兵准备送往急救站，半路上伤兵醒来一口咬掉了那营长的耳朵...”诸如此种不胜枚举，所以当时的战斗打的很激烈，敌人的伤兵同八路军战士的伤员扭打在一起，直到拼死为止。
当时687团好不容易抓到个鬼子，想把他送到后方去，结果怎么也弄不走，于是就把他绑到了担架上运送，谁知他一直都不老实，半道挣脱了绳子滚了下来，有个战士想去抱他结果鬼子张口就咬，这个战士一怒之下将其击毙。当时协助八路军的百姓也抓到了个鬼子，但这鬼子也是见人就踢，逢人就咬，活脱如一只疯狗，这让当时的乡亲们可气坏了，直接就把他拉到了山梁上一顿搞头把他打死了。结果是，这么大一场伏击战打下来，却一个俘虏也没抓到，这在红军战斗史上尚无先例。
其实之所以会出现这种抓不到俘虏的局面，除了他们自己所谓的武士道精神和法西斯教育外，最重要的是他们对中国军民太残暴了，他们害怕自己被中国人报复；另一方面是华北军队过去对日本俘虏采用的政策不正确，他们往往抓到日本俘虏后就用活埋、火烧、剖.肚等手段，在日军中留下了不好的影响，所以日军害怕做俘虏。
零的突破
如果把平型关战役拿来和李宗仁指挥的台儿庄会战或是杜聿明指挥的昆仑关会战相比，林彪指挥的平型关战役只能算是一个小仗，但他在人们心中的地位确是无可替代的，这是因为，平型关之战是抗日战争全面爆发以来日军遭到的第一次重大打击，它的意义在于中国自全面抗争以来的“零的突破”
此役115师共歼日军1000余人，击毁汽车100余辆、马车200余辆，缴获步枪1000余支、机枪20余挺，胜利之消息震动全国。