9月21日，日军第5师团第21旅团长三浦敏事少将率领第21联队第3大队和配属该旅团的第11联队第1大队从灵丘出发，以大营镇为目标，沿灵丘到平型关的公路追击向后撤退的第73师部队。22日晨，该部日军在蔡家峪附近与正在破坏公路的新编第11团的1个营遭遇。该营与日军战斗半日，遭受严重伤亡后撤退。接着，该部日军又与第84师派往蔡家峪地区的掩护部队1个营遭遇。日军将该营击溃后即向平型关进攻。在平型关阵地前，日军与守军独立第8旅第623团前进阵地上警戒的1个连发生战斗。该连伤亡过半，被日军击溃。当日夜，日军猛攻东、西跑池南北侧各高地。守军第623团第2营第5、第6两个连坚守阵地，与日军战斗，经数番肉搏，阻止了日军的攻击。
进占浑源的第21旅团第21联队主力(欠第3大队)于21日经小道沟、西河村向大营西北地区进攻。22日，该部日军联队也加入了平型关方面的战斗。
23日晨，日军一部绕蔡家峪转攻团城口。第17军第502团迎击日军，阻止了日军的攻击。该团团长在指挥战斗中负重伤。日军随即以一部迂回东、西跑池南北高地。独立第8旅在此防御的2个连全部殉国，高地被日军占领。孙楚急令第17军以2个团及第73师一部、独8旅1个团向敌反击。各反击部队与日军激战，至下午1时将敌击退，收复东、西跑池及其附近高地。进攻团城口的日军也在当日１６时停止了攻击。
同日，阎锡山计划用总预备队中的第71师附新编第2师共8个团的兵力从公路以北地区向东西跑池、小寨间迂回，侧击日军的右侧背；以第18集团军第115师从平型关东面的山地夹击日军，断敌后路；以第72师和第35军的2个旅为总预备队，由傅作义任出击总指挥。阎当时电告第18集团军总司令朱德：“我决歼灭平型关之敌，增加8团兵力，明拂晓可到，希电林师夹击敌之侧背。”阎并电令第71师师长郭宗汾：“该师即时集结，于晚间速向大营东北地区前进，归孙副总司令指挥。”还电令第72师师长陈长捷：“该师迅速向砂河前进待命。”这一出击计划原定在24日实施，但因部队行军疲劳而改为25日。
24日9时，傅作义、杨爱源与第18集团军第115师的联络参谋商定了25日拂晓出击的具体作战计划。策定作战指导如下：
(一) 正面以第71师附新编第1师为主攻部队，第84师仍固守原阵地。
(二) 第71师以1个团自团城口至2141．96高地间沿山麓向东攻击，再向南旋回，以蔡家峪、小寨为攻击目标；以2个团由2141．96高地至西河口间向东攻击，并掩护团城口正面攻击部队之左侧背，截断敌向浑源撤退之道，以王庄堡为攻击目标；以1个团为预备队，由团城口附近前进。
(三) 独立第8旅以一部协同第71师攻击，以辛庄为攻击目标。
(四) 第115师担任敌后各地之攻击，以东河南、蔡家峪为目标。
上述计划由第6集团军总司令部发布命令。同日19时，第7集团军总司令傅作义率幕僚进驻大营指挥。
24日晨，日军继续向平型关、东跑池、1886．4高地和讲堂村守军阵地猛攻。两军激战终日。第73师第393团击毁日军坦克数辆。在当日战斗中，仅第17军的伤亡即达千余人。
25日，第18集团军第115师从平型关东北山地向日军侧后发起攻击，驰名中外的平型关战斗由此展开。
第115师作为第18集团军的先头部队，于8月25日向陕西省三原以北地区出发，经韩城东渡黄河，至山西省侯马镇乘火车沿同蒲路北上，经太原到原平下车。第343旅和独立团在师长林彪和旅长陈光率领下，经繁峙、大营，于9月19日抵平型关东南的上寨、下关地区集结。师直属队和第344旅在副师长聂荣臻和旅长徐海东率领下在侯马镇登车，途遇洪水骤涨而迟到；在原平下车后经五台、龙泉关、龙王堂到达下关，与先到的部队会合。该师按照阎锡山的命令，原准备在广灵、灵丘地区阻击日军，但因第33军和第17军部队迅速败退到平型关地区，因而在阎锡山总的作战意图下，决定隐蔽集结于平型关以东地区。23日，该师接到于25日出击的计划后，决定在平型关东北山地从侧面伏击向平型关正面进攻的日军。计划以第343旅担任小寨村至老爷庙地区的主要伏击任务；以第344旅第687团在东河南至韩家湾一线阻敌援军；以师属独立团和骑兵营前出到灵丘至涞源间活动，打击敌交通运输；以第688团为师预备队。
9月23日午前，第１１５师召开了连以上干部会议，进行战斗动员。夜晚，部队从上寨、下关地区进至距平型关东南15公里的冉庄隐蔽集结。24日，营以上干部到前线侦察地形，并至连队进一步动员做好战前各项准备。24日夜，第115师主力冒雨按照预定计划向战地开进，25日拂晓前到达平型关东北公路右侧的山地设伏。
在团城口地区防守的部队连日遭日军的攻击，多次求援。当18集团军第115师准备在平型关侧后出击时，孙楚严令第17军坚持抵抗日军的攻击，以第71师由团城口出击，配合第115师歼灭日军。但是第17军军长高桂滋率所部于24日擅自放弃了团城口阵地，使日军占领了团城口、鹞子涧和东、西跑池一带长城线上约2公里的地段。第71师奉令准备越过东、西跑池线的第84师防御阵地，以关沟为目标，出击平型关敌后。该师部队于25日拂晓前通过涧头、迷回向前开进时，突然遭到已经占领团城口、鹞子涧的日军猛烈的炮火袭击，引起部队一片混乱。拂晓后，日军居高临下，北从鹞子涧，南从东、西跑池，将第71师部队压迫在迷回、涧头一侧。此时第18集团军第115师已经展开，向关沟、老爷庙、小寨地区的敌人伏击，牵制了鹞子涧地区日军的行动，才使第71师部队在迷回、涧头间稳定下来。
平型关东北山地的第115师部队隐蔽设伏时，日军第21旅团后续部队第21联队第3大队和辎重部队一部沿公路向平型关前进。由于雨后道路泥泞，车行缓慢，队伍拥挤。伏击部队待敌人完全进入伏击圈后突然开火，发起冲击。第685团第5连和第686团第1连首先冲到公路上与敌展开白刃格斗，其他部队也迅速冲杀过去。骄横的日军遭到意外打击，不知所措。被击毁的汽车、马车充塞道路。日军行军纵队顿时混乱，兵力无法展开，进退维谷。慌乱的日军想凭借汽车、水沟和老爷庙有利地形进行抵抗。第115师各团第2梯队迅速越过公路夺占老爷庙等有利地形，将日军分割包围起来。此时敌机飞临战地上空支援其地面部队作战，但由于两军纠缠在一起展开近战肉搏，敌机无法发挥其作战效能。激战至午后，辛庄、老爷庙、小寨村一线山谷中的日军全部被第115师消灭。随后第115师部队向东、西跑池之敌进攻。至晚，占领了东、西跑池以北的1886．4高地和东跑池以南的阵地。敌已陷入包围之中。但由于第17军的撤退和第71师被日军压迫在迷回、涧头之间，被围残敌得以乘夜从晋军阵地突围而逃。
在蔚县指挥作战的日军第5师团长板垣征四郎得知平型关方面第21旅团第21联队被围的情况后，急令当时在蔚县的第21旅团第42联队(欠第2大队)增援。该联队于26日到达平型关后立即投入战斗。由大同南下的关东军独立混成第2旅团的十川支队经浑源也前往增援，在平型关北侧的团城口地区进入战斗，协助第21旅团作战。第18集团军第115师撤出战斗，转移阵地。
26日，日军与守军第71师和独立第8旅在1886．4高地一带展开激战。在当日下午4时后，敌对双方形成混战状态。27日，第71师在迷回、涧头间受到日军的包围，处于苦战待援的境地。
第18集团军第115师在平型关战斗中全歼日军1个大队，打死日军1000多人，打伤2000多人，击毁汽车100多辆，缴获炮1门、步枪300多枝、机枪20多挺、山炮弹3000多发及大批军用品，取得了中国抗战以来第一个歼灭战的胜利。
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