大战一触即发。激战前的平型关，十分的平静。
上午7时许，日军板垣师团第21旅团的辎重和后卫部队进入了伏击圈。只见100多辆汽车满载着日本兵和军用物资率先开道，200多辆骡马大车跟随其后，压阵的是骑着大洋马的骑兵。山沟里，汽车的马达声，马蹄声，大车的轱辘声，响成一片。车马连成一线，把整个沟底公路堵得满满的。由于战争开始以来，国民党军队大多一触即溃，所以日军骄横、麻痹到了极点，甚至连两侧的警戒都非常松散。他们做梦也没想到，这里竟埋伏着八路军的伏兵。
随着日军全部进入伏击圈，林彪下达了攻击命令。
“打！”685团团长杨得志大喊一声。顿时，步枪、机关枪“哒哒哒”吼叫起来，向日军喷吐着复仇的火焰，炮弹、手榴弹带着啸音飞向敌群，炸得日军鬼哭狼嚎，血肉横飞。整个山沟里硝烟腾空，尘土弥漫，简直变成了一条烈焰腾腾的火沟，车撞车，人挤人，马嘶鸣，人号叫，乱作一团。
林彪、聂荣臻站在指挥所前，用望远镜观察战场态势。
“敌人很顽固啊！”聂荣臻发现日军利用汽车作掩护，顽固抵抗，连忙跟林彪商量说：“这块肥肉块大，不好一口吃掉，得分而食之。”
林彪回应说：“是啊！部队得冲下沟去，将敌人切成几段，分段吃掉它！”
他们果断命令部队出击，并指令686团团长李天佑派1个营，冲过公路，抢占老爷庙制高点，两面夹击敌人。
一场惊心动魄、你死我活的肉搏战开始了。
“冲啊！” “杀啊！”指战员们端起步枪、举起大刀，高喊着，冲向公路，和敌人厮杀在一起，刀光剑影，杀声震天。
八路军斗志昂扬、神勇无比，日本兵也抖擞精神、负隅顽抗，甚至双方的伤兵也扭打在一起，互相用牙齿咬，用拳头打。686团副团长杨勇在激战中负了伤，仍继续指挥部队作战。平型关一战，没有俘获日军一名俘虏，足见战斗之惨烈。
双方争夺的焦点在老爷庙。这里是一个制高点，战斗开始前，由于怕暴露目标，八路军没有预先占领。战斗开始后第686团第2营迅速抢占老爷庙及其以北高地，与公路东侧部队构成对敌夹击之势，继而将敌压缩于狭谷之中。日军在6架飞机掩护下，疯狂地向老爷庙连续反扑，企图突围。686团第2营的指战员，和具有优势装备的日军展开了决死的战斗，连续打退敌人多次反扑，不少干部、战士负伤数次，仍坚持不下火线。其中第5连2排的干部、战士直至全部壮烈牺牲，也没让日军踏上阵地一步。
日军第5师团师团长板垣征四郎得知部队在平型关遭到伏击，急令其在蔚县、涞源的部队向平型关增援，但被第115师独立团、骑兵营阻击于灵丘以北和以东地区。
激战至13时许，战斗胜利结束。十多公里长的山沟里，到处是日军的尸体、被击毁的汽车和大车、各种各样枪支和物资，还有负伤的日本兵在挣扎、呻吟。
当时，八路军战士仍然用过去对待白军的办法来对待日军，以为日军被击溃后一喊“缴枪不杀”就会举手投降，其实不然。686团团长李天佑回忆说：“1营的一个电话员，正沿着公路查线，看见汽车旁躺着一个半死的敌兵，他跑上去对那个敌兵说：‘缴枪不杀，优待俘虏！’没等他说完，那家伙扬手一刀，刺进了电话员的胸部。有的同志想把负了重伤的敌兵背回来，结果自己的耳朵被咬掉了。更有的战士去给哼哼呀呀的敌兵裹伤，结果反被打伤了。”
据战后统计，在激战和打扫战场过程中，八路军伤亡400多人，其中牺牲的200多人，他们大多是经过长征的老战士，令人痛惜不已。
当日黄昏，第343旅向东跑池日军展开攻击。由于国民党军未按计划出击，致使该敌由团城口突围。杨得志回忆说：“按照预定计划，国民党军应和我们同时出击，在我们消灭公路上的敌人以后，转向东跑池，配合他们全歼板垣师团。不料想，我们和兄弟团队跑到东跑池包围了敌人，却不见一个国民党兵的影子，原来他们根本就没有出击。国民党军队的怠战，使该地的日军未能被歼，平型关战斗的战果未能得到扩大。”
平行关战役以八路军大胜日军的惨败结束。这次战役共歼灭日军精锐第五师团第21旅团一部1000余人。机毁汽车100余辆，马车近200辆，缴获步枪1000余支，轻重机枪21厅。29式步兵炮，一门炮弹2000多发以及大量物资。平行关大捷是全国抗战以来第一个歼灭战的胜利。这一胜利在政治上具有重大意义，他打破了皇军不可战胜的神话，表现出中国人民确有战胜敌人的勇气和力量。使全国人民看到了中华民族的希望所在，从而极大地振奋了民心士气，提高了共产党和八路军的声望，赢得了国际舆论的称赞与好评。
平行关大捷，震惊中外，喜讯传到延安，毛泽东很高兴，9月26日他致电朱德，彭德怀庆祝我军的第一个胜利。