第六十一軍軍長李服膺被處決的時候，喊出這樣一句話：“不講理的閻錫山萬歲！”
車到小東門大校場，李下車距預鋪紅氈還有兩三丈遠，就被一槍打倒。據執行人、閻錫山的警衛營連長康增談，因為前幾年槍斃十旅旅長蔡榮壽時，一槍打倒抬回家去，還活了多半天才氣絕，所以這次閻錫山特別指示，當場擊斃後，執行人須守屍一小時，才許家人收屍。
李服膺是中日全面開戰以來，第一個因丟失防區而被處決的軍長。
李軍長丟失的防區是山西北部的天鎮。
平綏路上的南口、張家口相繼失陷後，板垣徵四郎的第五師團集結於懷來，東條英機的關東軍察哈爾兵團集結於宣化，繼續向南攻擊山西的企圖顯而易見。只是，中國方面暫時還無法判斷其作戰方向和計劃。
日軍進逼山西無非有兩種可能：一是在冀西北部與晉東北部交界處的蔚縣、廣靈發動佯攻，主力沿平綏路西進攻取大同，切斷中國軍隊山西與綏遠間的聯絡；二是在晉東北的天鎮方向實施佯攻，主力攻取廣靈，切斷中國軍隊山西與河北間的聯絡。然後，兩路兵力即可協同向南直插山西的腹地。
中國軍隊第二戰區製訂了兼顧兩種可能的作戰計劃：“本軍以利用山地殲滅敵人之目的，以主力配置於天鎮、陽高、廣靈、靈丘、平型關各地區，以一部控制於大同、渾源、應縣附近，以冊應各方之戰鬥，相機轉移攻勢。”——這個計劃的要點是：無論日軍的主攻方向在哪一邊，都以局部的死守待援、東或西面的緊急增援，形成夾擊日軍的戰場態勢。
為此，司令長官閻錫山將第二戰區部隊部署如下：
楊愛源部第六集團軍第三十三軍獨立第三旅和第七十三師布防晉東北的廣靈；第三十四軍第二〇三旅布防廣靈以西的渾源，第一九六旅布防渾源西南方向的應縣，第七十一師在應縣西南方向的岱岳（山陰），新編第二師在平型關以西的砂河。
衛立煌部第十四集團軍第八十五師控制平型關以西的大營。
傅作義部第七集團軍第六十一軍第一〇一師固守晉東北的天鎮，第二〇〇旅布防天鎮西南面的陽高，獨立第七旅布防大同以東地區；第三十五軍新編第六旅固守興和，新編第五旅布防隆盛莊，第二一八旅固守集寧，第二——旅布防歸綏，第二旅和第二〇五旅布防大同至豐鎮間。
從北向南，第二〇九旅控制在大同與懷仁間，預備第七十二師控制在應縣，第二一五旅控制在雁門一帶，獨立第一旅控制在平型關，第六十六師控制在太原。此外，在山西、綏遠與察哈爾的交界處，騎兵軍主力布防在商都、尚義、化德一線。
第六十八軍劉汝明部在蔚縣一帶防禦。
第十七軍高桂滋部布防廣靈。
司令長官部行營進駐雁門關以西的太和嶺口村。
但是，令中國軍隊沒有想到的是，東條英機指揮的察哈爾兵團和板垣徵四郎指揮的第五師團，從攻擊一開始就兩路齊頭並進，令第二戰區無法判斷出到底哪個方向是主攻。
九月三日，關東軍察哈爾兵團獨立混成第十五旅團，在旅團長篠原誠一郎的指揮下自張家口以南的宣化方向出動，向駐守天鎮的中國守軍第六十一軍發動猛烈進攻。李服膺軍長指揮的第六十一軍剛剛從柴溝堡方向南撤至天鎮，各部隊倉促間進行了部署，也是一線式的防禦陣形：第二〇〇旅的四〇〇團據守天鎮附近的盤山制高點；第一〇—師佔領盤山以北的羅家山、李家山以及沿平綏路兩側一直到北山瓦窯口一線的陣地；第二〇〇旅三九九團駐守天鎮城防；第六十一軍司令部以及四一四團駐守天鎮西南方向的陽高縣城。
日軍顯然把攻擊重點放在了天鎮外圍唯一的製高點盤山。武器簡陋的中國守軍在察哈爾兵團凶悍的攻擊面前幾乎沒有還手之力。日軍重砲轟擊和飛機轟炸持續不停，第六十一軍簡單的野戰工事被反复摧毀，四〇〇團的高保庸營藏身的掩體被炸塌，一個營的官兵全部被壓死在石洞裡。日軍步兵輪番衝鋒，日夜猛撲，中國守軍只能依靠彈坑掩護自己，用手榴彈和刺刀抵抗。後方的補給線和聯絡線被切斷，彈藥上不來，傷員下不去，支撐整整三天后，閻錫山下令再守三天。四〇〇團團長李潤生請求增援，但李服膺軍長手裡沒有預備隊，四〇〇團傷亡了五百多人，其他各團也都傷亡在千人以上。最後時刻，李潤生團長已無法控制部隊，還活著的士兵紛紛後退。盤山失守。
盤山失守的這一天，日軍第五師團於天鎮以南的蔚縣方向開始了突進，其第九旅團攻擊廣靈，第二十一旅團從廣靈西面迂迴。在這個方向防禦的是劉汝明的第六十八軍，該軍竟然連日軍的影子還沒見到就擅自撤退，致使防線如無人之境。湯恩伯急忙命令高桂滋的第十七軍前往填補。高桂滋派出的一個團以急行軍的速度趕往蔚縣，距蔚縣還有五里的時候得到消息：蔚縣已被日軍佔領。
戰事已起，閻錫山的判斷是：日軍的主攻方向是大同。於是他策劃了一個“大同會戰”的方案，即把日軍主力引進大同以東的聚樂堡，那裡有晉軍已經建好的國防陣地，然後調動強大兵力從南北兩面對日軍實施夾擊。為此，他給第六十一軍軍長李服膺下達了在天鎮阻擊日軍的命令：只要能把日軍遲滯在這一帶，為調動部隊爭取到必要時間，“大同會戰”計劃就可以得到實施。只是，不知閻錫山是否清醒，能夠遲滯日本關東軍攻擊的中國軍隊，至少在他的第二戰區內不存在。
天鎮外圍制高點盤山失守後，日軍直衝而下。除了天鎮城中的九九團外，城外第六十一軍布防的部隊均被沖垮。接著，日軍兵分兩路直插聚樂堡。為了增加追擊力度，日軍甚至動用了預備隊。天鎮尚在被包圍中，身後的陽高城竟然也被日軍攻陷了，李服膺軍長只好帶著司令部再向南撤退。防守陽高城的第六十一軍四一四團在守城戰鬥中傷亡很大，團長白汝庸認為如果巷戰持續下去，即使全團戰至殆盡城池最後還是守不住，於是召集殘部向城外突圍，一千多人的團，跟著白團長突出來的僅有三百多人。
陽髙陷落，天鎮成了一座四面被圍的孤城，孤城裡的孤軍是三九九團。
中國陸軍第六十一軍第二〇〇旅三九九團，團長張敬俊，全團十二個步兵連，加上機槍連和迫擊砲連，總計一千四百餘人，從軍官和士兵也多是河北、山東和河南人。 ——中國的北方人有股子拼命的蠻勁。攻擊天鎮的日軍認為，這座孤城裡的中國守軍不會再守下去了，沒有人會在沒有任何希望的情況下找死。因此，日軍高舉著日本旗，列隊向天鎮城東門走來，彷彿不是在攻擊而是準備接管。日軍剛一走到城門下，突然遭到來自城牆上方的猛烈射擊，隊伍瞬間混亂起來。很快，日軍的重砲開始轟擊城防，坦克也抵近射擊，天鎮城牆被摧毀，日軍的飛機把小城炸成一片火海，接著便是步兵的輪番衝鋒。三九九團守軍格外頑強，就是找死一般死也不退。戰鬥持續了三天，三九九團傷亡慘重。天鎮縣縣長勸張敬俊團長不要再守了，因為拼死打下去最終也打不贏，小城裡的老百姓在戰火中太遭罪了。痛苦萬分的張敬俊讓團附把殘存的部隊帶走，他要一個人留下來盡軍人的職責。官兵們不願意，表示要走一起走，要死一起死。於是，“九月十一夜間，二九九團有秩序地撤出天鎮城”。
天鎮陷落，“大同會戰”瞬間成為泡影。
閻錫山命令各部隊向大同以南、桑乾河南岸的山地轉移。
九月十三日，關東軍察哈爾兵團獨立混成第一旅團未經戰鬥進入了晉北重鎮大同。
大同，平綏、同蒲兩條鐵路銜接處，“為晉、察、綏之交通要衝”。惱羞成怒的閻錫山將第六十一軍軍長李服膺扣押了。
第二戰區司令長官部少校副官龐小俠目睹了閻錫山審問李服膺軍長的過程，這是一次典型的家族式的審判：
十月三日晚上十一點左右，閻錫山在省府大堂審訊李服膺。他坐在中間，謝濂（保安司令）、張建（憲兵司令）、李德懋（原綏署副官長）坐在兩邊。我那天是值日官。憲兵用汽車把李服膺押來後，閻錫山對李說：“從你當排長起，一直升到連長、營長、師長、軍長，我沒有對不起你的地方，但是你卻對不起我。第一，你做的國防工事不好；第二，叫你死守天鎮、陽高，你卻退了下來。”說到這裡，李服膺插嘴說：“我有電報。”閻說：“你胡說！”接著又說：“你的家，你的孩子，有我接濟，你不要顧慮！”李服膺這時掉下了眼淚，沒有再說什麼。閻錫山嚮周圍點了一下頭，就走了。閻錫山走後，警衛營就帶著繩子去捆李。謝濂說：“那隻是個樣子！”於是沒有捆，只把繩子搭在脖子上。記不清是張建還是李德懋問李服膺：“有對家裡說的話沒有？”李服膺搖了搖頭，沒說話。之後，就把李押上汽車。李走得很剛骨。
執行槍斃任務的康連長回來跟龐副官這樣說的：“我就用山西造的大眼盒子，一槍收拾了他。”
幾乎所有熟悉李軍長的人都為他喊冤，尤其是第六十一軍官兵。他們認為，天鎮、陽高一線戰鬥慘烈，面對日軍重型武器的官兵手裡的槍械都是山西造的，導致傷亡十分嚴重。戰鬥中，部隊既得不到明確指示，又得不到任何支援，就這樣把李軍長不明不白地槍斃了實在不公平。還有官兵揭露，國民政府出錢修築國防工事，可第六十一軍從太原領到的鋼筋、洋灰等材料不足計劃的百分之一，據說官員們把修築國防工事的撥款都貪污了。
天鎮失陷後，日軍迅猛南下，晉北戰場呈現出混亂局面。
局面的惡化，絕不是處決一個軍長就能挽救的。
九月十一日，側翼的日軍第五師團從蔚縣出動，向廣靈方向推進，並以一部向火燒嶺一帶迂迴。湯恩伯命令高桂滋的第十七軍第二十一師主力防禦廣靈城正面，第八十四師在火燒嶺一線阻擊。十二日，日軍向火燒嶺中國守軍陣地發起攻擊，同時向廣靈方向的中國守軍陣地壓迫。十三日，布防火燒嶺以西劉家溝的第八十四師四九九團陷於苦戰；廣靈城正面防禦陣地上的第二十一師也處在激戰中，四二四團在與日軍的肉搏戰中傷亡甚重，陣地最終被日軍突破；四二三團團長呂超然率部實施反擊時中彈陣亡。
日軍第五師團於側翼向南發起的猛攻，令閻錫山從北向南部署的防線出現了傾斜。十三日，閻錫山不得不重新調整部署，重點是調集部隊堵住日軍第五師團的南下勢頭，以圖穩住整個戰場的側翼。
十四日，日軍第五師團的攻擊力度絲毫未減，布防廣靈方向的第七十三師在以弱對強的阻擊中傷亡慘重。閻錫山命令湯恩伯，如果實在守不住防線，可以撤退到廣靈以南建立新的陣地。湯恩伯接到命令後，立即命令第七十三師、第八十四師和第二十一師全部撤退。廣靈遂被日軍佔領。
這一天，為了避免戰場混亂以及無法遏制的互相推倭，閻錫山劃分了各軍作戰地域以便各負其責。這些地域自大同向南基本呈現出左右兩部分：左側的部隊是第六十一軍、第三十四軍、第十九軍、第三十五軍，以傅作義為總司令；右側的部隊是第三十三軍、第十七軍、第十五軍，以楊愛源為總司令。第十八集團軍、第七十一師和第七十二師為預備隊。
日軍第五師團第二十一旅團佔領廣靈後，向廣靈以南的靈丘和廣靈以西的渾源方向繼續追擊。十五日，閻錫山嚴令第七十三師師長劉奉濱在廣靈南面的山地堅守，如果再退就軍法論處。劉師長率部在廣靈以南一個叫直峪口的險要山口擋住了日軍第二十一旅團，全師官兵拼死作戰，陡峭山崖上的陣地五次失守又五次發起反擊而復得，直到劉奉濱師長負傷後，第七十三師才向後轉移陣地。
雖然部隊節節推進，但師團長板垣徵四郎惱怒了：華北方面軍命令他率主力折向東，去支援平漢路上的作戰。 ——眼看第五師團推進順利，如果沒有乾擾的話，他可以向南直插五台山然後打進太原城，在關東軍面前把這個頭功搶到手。心有不甘的板垣徵四郎下達命令：第九旅團繼續佔領渾源，第二十一旅團繼續攻擊靈丘。
二十日，從廣靈南撤的第七十三師，因頂不住日軍強攻再次南撤，靈丘城被日軍佔領。
至此，在中國軍隊晉北防線的右翼，日軍已經迫近內長城。
從靈丘再向南，是內長城的一座關口，名叫平型關。
平型關為山西境內內長城南翼之要隘，扼守冀、察入晉之要衝。
此時，閻錫山正在製訂一個新的作戰計劃：把日軍放進平型關內加以圍殲。即誘使日軍通過平型關，深入平型關以西的砂河盆地，然後中國軍隊從恆山、五台山兩面發動夾擊，截斷平型關要隘，把日軍殲滅在滹沱河上游的盆地裡。
這個龐大的作戰計劃看上去氣魄非凡：
在平型關的正面，第六集團軍指揮第三十三軍、第十七軍，布防於平型關、團城口南北線上，右起五台山東，北到團城口，依次排列著獨立第二旅、第七十三師、獨立第八旅，團城口並列著第十七軍和第二十一師。以上部隊先頑強阻擊，然後主動後退，進入五台山隱蔽起來，組成南機動兵團待命出擊。
平型關北面，以雁門山、恆山為屏障，除第十五軍在恆山外，以第三十四軍在北婁口、大小石口、茹越口之間佈防，重點是內長城關口茹越口。以第十九軍和第三十四軍扼守五斗山、馬蘭口、虎略口、水峪口直至雁門關、陽方口之間的陣地，重點置於雁門關及其西南方向的代縣。第三十五軍控制在陽明堡，負責對雁門關實施冊應。
在砂河至繁峙之間的決戰地帶，以第二〇〇旅一部在砂河鎮以東佔領陣地，對從平型關通過的日軍逐次抵抗，誘敵向西南方向的繁峙深入，預備隊位於繁峙城的南北線上，以五台山的北台頂、繁峙城垣、恆山為支撐點，將日軍吸引到主陣地前。
第三十五軍作為機動兵團向代縣東進，與第十五軍同為北機動兵團，由傅作義指揮，在繁峙的北翼展開，等第二〇〇旅將日軍吸引到繁峙主陣地時，南北兩個兵團立即發動夾擊以全殲日軍。
第三十三軍第七十三師和第八十五師負責包抄平型關的後路，將日軍的後方聯絡線截斷。
閻錫山認為，自己布好了一個口袋陣，保准日軍進得來出不去。
毛澤東要求周恩來趕赴太原或大同，會晤閻錫山，協商八路軍“入晉後各事”，包括“活動地區、作戰原則、指揮關係、補充計劃”等。九月七日凌晨，周恩來、彭德懷、徐向前趕到了位於雁門關附近太和嶺口的閻錫山指揮部。此刻，山西戰場的對日作戰已經沒有退路，但與日本人打仗閻錫山還沒有把握。周恩來勸導閻錫山：“日本軍國主義是可以打敗的，雖然目前是敵強我弱，但打下去，必然使敵人一天天弱下去，我們一天天強大起來。”閻錫山嚮共產黨方面告知他的作戰計劃，周恩來建議閻錫山“不要單純死守雁門關，而應主動出擊，實行側擊和伏擊來破壞日軍的進攻計劃”，明確表示八路軍第一一五師可以“配合友軍布防平型關一帶”。
毛澤東致電彭德懷：
閻錫山現在處於不打一仗則不能答复山西民眾，要打一仗則毫無把握的矛盾之中，他的這種矛盾是不能解決的。你估計他放棄平型關，企圖在砂河決戰的決心是動搖的，這種估計是完全對的。他的部下全無決心，他的軍隊已失戰鬥力，也許在雁門關、平型關、砂河一帶會被迫地舉行決戰，然而大勢所趨，必難持久，不管決戰勝敗如何，太原與整個華北都是危如累卵。
後來的晉北戰局的證明，毛澤東的預見和判斷是正確的。
閻錫山的作戰計劃最令人困惑之處在於：憑什麼判斷日軍的主攻方向只能是平型關？如果日軍的主攻方向不是平型關，全盤依此部署的作戰陣勢將如何緊急應對？另外，平型關是著名的關隘和天險，是阻擊日軍的有利地形。叢山西最北部的天鎮、廣靈一路退下來後，第二戰區司令長官部不斷的命令部隊重建阻擊線，以阻止日軍繼續向南推進的勢頭，現在已經退到了阻擊最有利的天險關隘，為何反而放棄不守要退到關內的砂河盆地裡決戰？最後，如果把日軍放進平型關，一旦預計的圍殲無法達成，部隊如何迅即部署才能確保太原的安全？
儘管共產黨方面對閻錫山誘敵深入的作戰設想不敢苟同，但與其協同作戰保衛晉北要地的決心是堅定的。
八路軍政治部主任任弼時說：
山西自雁門關以南，井陘、娘子關以西系高原多山地區，對保衛華北，支持華北戰局，有極重大的意義。敵人要完成其軍事上佔領華北，非攻占山西不可。如山西高原全境保持我軍手中，則隨時可以居高臨下，由太行山脈伸出平漢北段和平綏東段，威脅敵在華北之平津軍事重地，使敵向平漢南進及向綏遠的進攻感受困難。故山西為敵我必爭之戰略要地。
彭德懷與閻錫山商定，位於日軍第五師團攻擊方向的平型關以及位於關東軍察哈爾兵團攻擊方向的茹越口和雁門關，都要派出強有力的部隊防守，八路軍第一一五師可以在日軍攻擊平型關時於日軍的側後出擊，第一二〇師可以在日軍攻擊雁門關時於側翼出擊。
八路軍決心在晉北與日軍面對面地打上一仗。
但是，在平型關前線指揮作戰的第六集團軍副總司令孫楚反對閻錫山的作戰部署。他認為，日軍的主攻方向依舊是關東軍察哈爾兵團直指的雁門關，而不是平型關，當前向靈丘進攻的日軍第五師團不過是起牽製作用的助攻。據此，孫楚不同意將日軍第五師團放進平型關內來，而主張以第十七軍和第三十三軍以及進入平型關附近的八路軍第一一五師，扼守平型關和團城口，相機出擊，配合雁門關方向的主戰場。第六集團軍總司令楊愛源同意孫楚的見解。
聽了楊愛源的當面陳述後，閻錫山批准了孫楚的計劃，決定固守平型關和團城口一線，將第十七軍第二十一師向北延，與布防恆山的第十五軍陣地連接，掩護恆山的東翼。 ——此時，恆山已成為日軍佔領冀、察、晉三省的戰略中樞。
孫楚按照新的作戰計劃向各部隊發出指令，但是第十七軍軍長高桂滋卻對孫楚的部署極為抵觸，他是唯一贊同閻錫山把日軍放進平型關的前線將領，理由很明顯：他的第十七軍處在與平型關並行的團城口，面對日軍的進攻首當其衝，如果按照閻錫山的作戰計劃，他的任務是不必死守，只要打一下跑進恆山里就行了。高桂滋的抵觸對於後來的戰局演變成為一個巨大的隱患。
二十一日，日軍第五師團第二十一旅團旅團長三浦敏事，率領第二十一聯隊第三大隊和配屬的第十一聯隊第一大隊，從位於晉東北的靈丘出發，沿著靈丘通往平型關的公路，追擊仍在後撤的中國軍隊第七十三師。
這一天，中國空軍在山西參戰了。中國空軍前敵總指揮周至柔電告閻錫山，空軍編組了支援山西作戰的四個飛行中隊，指揮所設在太原，以洛陽、西安、南陽機場為基地，以太原、臨汾、長治為前進機場。就在日軍第二十一旅團發起攻勢的時候，關東軍飛行第十六聯隊的十五架戰鬥機，掩護第十二聯隊的八架重型轟炸機，轟炸了太原城。中國空軍第二十八中隊隊長陳其光率領七架驅逐機迎擊，將日本陸軍視為“軍寶”的第十六聯隊第一大隊隊長三輪寬少佐所駕駛的九五式戰鬥機擊傷。該機在太原附近的農田中迫降，爬出機艙的三輪寬被當地農民打死。
除了這個令閻錫山興奮的好消息外，還是這一天，日軍第二十一旅團在向前攻擊的時候，首先遭遇奉命破壞公路的中國守軍一個營，日軍苦戰了大半天才得以擺脫。接著又遭遇了第十七軍第八十四師的一個營，又苦戰了大半天，好不容易推進到平型關面前時，被中國守軍第三十三軍獨立第八旅六二三團所阻。
二十三日，攻擊平型關不成的日軍，開始轉攻旁邊的團城口。第十七軍五〇二團團長在戰鬥中身負重傷。在日軍迂迴東、西跑池南北高地的時候，獨立第八旅防守高地的兩個連全部陣亡，高地遂被日軍佔領。孫楚命令第十七軍再投入兩個團、第七十三師一部和獨立第八旅的一個團同時向日軍實施反擊。下午，中國守軍反擊成功，東西跑池及其附近高的陣地失而復得。
儘管日軍對平型關的攻擊規模並不強大，但終究是敵人已經攻到天險隘口前了。閻錫山十分緊張，他動用了預備隊，命令第七十一師附新編第二師共八個團向東西跑池、小寨方向迂迴，以形成對日軍的側擊；第七十二師和第三十五軍的兩個旅作為出擊預備隊，由傅作義擔任出擊總指揮。
這一天，南京大本營收到的來自山西前線的戰況報告是：
敵人一旅團，坦克車、（裝）甲車各二十輛，昨夜十時起向平型關、團城口攻擊。我獨八旅、八十四師出擊應戰。敵向蔡家峪（團城口以東）潰退。我七十一師本晚已抵大營（平型關以西）。第八路軍定明拂曉由上寨村、冉莊村（靈丘南山中）向敵出擊。二十一師、十五路（為）接續部隊。本午有敵八百餘向小窩單、講堂村攻擊。應縣、渾源大道有敵千餘向東移動。戰事決在平型關外決戰。
閻錫山從太和嶺口前線指揮部致電第十八集團軍總指揮朱德：“我決殲滅平型關之敵，增加八個團兵力，明拂曉可到，希電林師夾擊敵之側背。”
“林師”，即林彪指揮的八路軍第一一五師。
共產黨領導的抗日隊伍，第一次以正規部隊的名義，加入在國民政府軍事委員會統轄的戰鬥序列裡，奔赴抗日戰場參戰了。
根據八月二十二日國民政府軍事委員會頒布的國民革命軍第八路軍的改編命令，八月二十五日中共中央發布的紅軍改編命令，第八路軍之第一一五、第一二〇和第一一九師的編制序列是：
第一一五師，由紅一方面軍第一、第十五軍團和陝南第七十四師改編，師長林彪，副師長聶榮臻，參謀長周昆，政訓處主任羅榮桓，副主任肖華。轄第三四三旅（六八五團、六八六團），旅長陳光，副旅長周建屏；第三四四旅（六八七團、六八八團），旅長徐海東，副旅長黃克誠；獨立團和三個直屬營。全師一萬五千五百人。
第一二〇師，由紅二方面軍第二、第六軍團和陝北紅軍第二十七、第二十八軍，獨立第一、第二師，赤水警衛營、總部特務團各一部改編，師長賀龍，副師長肖克，參謀長周士第，政訓處主任關向應，副主任甘泗淇。轄第三五八旅（七一五、七一六團），旅長張宗遜，副旅長李井泉；第三五九旅（七一七團、七一八團），旅長陳伯鈞，副旅長王震；教導團和五個直屬營。全師一萬四千人。
第一二九師，由紅四方面軍第四、第三十一軍，陝北紅軍第二十九、第三十軍，陝甘寧獨立第一、二、三、四團和第十五軍團騎兵團改編，師長劉伯承，副師長徐向前，參謀長倪志亮，政訓處主任張浩，副主任宋任窮。轄第三八五旅（七六九團、七七〇團），旅長王宏坤，副旅長王維舟；第三八六旅（七七一團、七七二團），旅長陳賡，副旅長陳再道；教導團和五個直屬營。全師一萬三千人。
後方總留守處主任肖勁光。
八路軍總部直屬隊約三千人。
全軍總計約四萬六千人。
為了加強黨對抗戰時期軍事工作的領導，中共中央政治局洛川會議決定，成立新的中共中央軍事委員會，毛澤東為書記（實際稱主席），朱德、周恩來為副書記（實際稱副主席）。成立前方軍委分會（後稱華北分會），朱德為書記，彭德懷為副書記。十月，中共中央決定成立軍委總政治部，任弼時為主任，恢復了一度取消的政治委員制度，聶榮臻、關向應、張浩分別為第一一五、第一二〇和第一二九師政委，肖華、黃克誠、李井泉、王震、王維舟、王新亭分別為第三四三、第三四四、第三五八、第三五九、第三八五、第三八六旅政委。撤銷了各級政訓處，恢復了師、旅兩級政治部。中國共產黨還在南京、武漢、西安、重慶、太原、廣州、迪化（今烏魯木齊）等地成立了八路軍辦事處，在長沙等地成立了八路軍通訊處。
改編不是問題，問題是改編後以何種方式參戰，以何種策略作戰。
八路軍所轄的三個主力師，加上直屬與後方部隊，總計不過四萬多人，從軍事上講，即使全部投入戰場，對於偌大國土上的全面對日作戰而言，影響只能是局部的。而在共產黨方面看來，如果沒有正確的作戰方略就盲目參戰，等同於自我蹈火。為此，毛澤東明確表示，改編後的八路軍要揚己之長，避己之短，長處在於有游擊戰的豐富經驗，短處在於兵力有限武器簡陋。因此，八路軍能夠採取的作戰方略只能是“獨立自主的分散作戰的游擊戰爭”，只有這樣才能最大限度的打擊敵人同時保存自己，才能對抗日戰爭做出中國共產黨人的貢獻。
八月一日，毛澤東就八路軍的作戰原則進行瞭如下闡述：
關於紅軍作戰，依當前敵我情況，我們認為須堅持以下兩原則：
（甲）在整個戰略方針下，執行獨立自主的分散作戰的游擊戰爭，而不是陣地戰，也不是集中作戰。因此，不能在戰役戰術上束縛。只有如此，才能發揮紅軍特長，給日寇以相當打擊。
（乙）依上述原則，在開始階段，紅軍以出三分之一的兵力為適宜，兵力過大，不能發揮游擊戰，而易受敵人的集中打擊，其餘兵力依戰爭發展，逐漸使用之。
八月五日，當朱德、周恩來、葉劍英受蔣介石密邀赴南京參加國防會議時，毛澤東請他們將八路軍的作戰任務與兵力使用原則告知南京方面，以使國共雙方對於八路軍的對日作戰具有共識性的準確定位：一、“總的戰略方針暫時是攻勢防禦，應給進攻之敵以殲滅的反攻，決不能是單純防禦，將來準備轉變到戰略反攻，收復失地”；二、“正規戰要與游擊戰相配合，游擊戰以紅軍和其他適宜部隊及人民武裝擔任之，在整個戰略部署下，給與獨立自主的指揮權”；三、“擔任游擊戰的部隊原則上應分開使用，而不是集中使用”；四、“依現實情況，紅軍應以三分之一兵力，依冀、晉、綏四省交界地區為中心，向著沿平綏路西進及沿平漢路南進之敵執行側面的游擊戰，另以一部向熱冀察邊區活動，威脅敵人後方（兵力不超過一個團）”；五、“要發動人民的武裝自衛戰，這是保證軍隊作戰勝利的中心一環”。
八月十日，毛澤東致電八路軍總部參謀處處長兼八路軍駐太原辦事處主任彭雪楓，就八路軍作戰問題進行了更加詳細的闡釋：
……同各方接洽，在積極推動抗戰的總方針下，要有謙遜的態度，不可自誇紅軍長處，不可說紅軍抗日一定打勝仗，相反要請教他們各種情況，如日軍戰鬥力、山地戰、平原戰等等紅軍素所不習的情形，以便紅軍有所依據，逐漸克服困難。不可隱瞞紅軍若干不應該隱瞞的缺點，例如只會打游擊戰，不會打陣地戰，只會打山地戰，不會打平原戰，只宜於在總的戰略下進行獨立自主的指揮，不宜於以戰役戰術上的集中指揮束縛，以致失去其長處。這些都應著重說明……
根據國共雙方達成的協議，八路軍劃屬中國軍隊第二戰區，由戰區司令長官閻錫山統轄。
共產黨領導的八路軍出發了。
日本人、蔣介石和閻錫山，三方的心緒都很複雜。
日本是一個反共國家，其軍國主義者在發動對中國的侵略戰爭時，其中一個重要的藉口，也是誘使國民黨妥協的籌碼，就是徹底鏟滅中國共產黨。拋開政治因素，日本對中國共產黨人的頑強不屈有深刻的了解，深知日本軍隊與國民黨軍隊作戰，不必有太多顧慮，但如果與共產黨軍隊直接作戰，那就另當別論了。日本駐北平特務機關長松室孝良，在一九三六年秋所作的秘密報告中，曾經特別警告日本當局，在中國，日本軍隊的真正“大敵”，是共產黨領導的武裝力量，因為這支軍隊儘管人數不多但能量驚人，中國共產黨人是一個不能用常規邏輯解釋的群體：
共產軍之主力，現雖返還陝北，然有襲入察綏向滿洲聯蘇抗日之危虞，此帝國不可忽視者也。此种红軍，實力雄厚，戰鬥力偉大，其苦幹精神，為近代軍隊所難能，其思想極能浸澈民心。以中國無大資本階級，僅有小的農工階級，即被煽惑，竟由江西老巢繞華南華中華西趨華北，轉戰數万裡，備歷艱辛，物質上感受非常壓迫，精神反極度旺盛。此次侵入山西，獲得相當之物質，實力又行加強。彼等善能利用時勢，抓著華人心理，鼓吹抗日，故其將來實力不容忽視。中國大部分青年，鑑於國內政治腐化，軍事經濟之乏更生希望，政府之無抗日決心，退讓無止境之主義，於徹底抗日之共同目標下，抗日圖存收復失地號召下，紛紛加入共黨，甘為共產軍之前鋒，潛伏華北，積極活動，並與在滿紅軍取得聯絡，將來之擴大充實，亦為帝國之大敵。
以共產軍之實質言，實為皇軍之大敵。世界各國軍旅，無不需要大批薪餉、大批物質之分配與補充，換言之，無錢則有動搖之虞，無物質更有不堪設想之危。共產軍則不然，彼等能以簡單的生活，窳敗的武器，不充足之彈藥，用共產政策，游擊戰術，窮乏手段，適切的宣傳，機敏的組織，思想的訓練，獲得被壓迫者的同情，實施大團結共乾硬幹的精神，再接再厲的努力，較在滿的紅軍尤為精銳。此等軍隊，適應窮乏之地方及時零時整之耐久游擊、耐久戰術行軍，則適其於將來不能速戰速決物質缺乏之大戰，極為顯著，故皇軍利於守而不利於攻，應嚴防其思想之宣傳，及不時之游擊與出沒無定擾攘後方之行軍。
可以想見，當聽到中國共產黨領導的武裝力量與國民黨領導的軍事力量即將聯合抗日的時候，日本人會是一種什麼樣的心境。
儘管接納共產黨是蔣介石面對嚴峻的民族危機做出的明智選擇，但無論如何這一選擇於他是迫不得已的。有一點他很清楚，如果八路軍直接與日軍作戰，那麼，他用了十年時間都沒有達到的消滅共產黨武裝力量的目的，強大的日本軍隊或許能夠幫他達到。只要八路軍被推到戰場的最前沿，武器裝備十分簡陋的紅軍即使不被徹底消滅也會遭到重創。因此，自紅軍接受改編之日起，蔣介石就不斷地催促八路軍趕赴平綏路前線。而八路軍從其駐紮的陝北進入華北，必須通過閻錫山的地盤。為此，蔣介石專門致電閻錫山，口氣如同一個下級在請示上級：
急。閻副委員長勳鑑：共軍要求在韓城附近渡河，在同蒲線以西地區行進，至綏遠集中，以便給養與行動迅速。可否照辦？請速示复。中正叩。
閻錫山一貫奉行的是除了他的勢力外誰也別想染指山西的政策。但是，現在有三股力量同時進入了他的地盤：蔣介石、共產黨和日本人。在閻錫山看來，這三股力量都是他的敵人，可他無力消滅其中的任何一方。如何在抗日又不公開與日本人拼殺，擁蔣又能始終保持山西的獨立，聯共又不真的與共產黨人合作的分寸中取得平衡呢？
閻錫山說：“我是在三顆雞蛋上跳舞，踩破哪一顆都不行。”
在中國的地方軍閥中，閻錫山與日本的關係最為密切。自一九〇九年從日本陸軍士官學校畢業後，他一直與日本保持著極為友好的聯繫。一九一七年，他從日本購買了一個砲兵營的裝備；一九一九年至一九二〇年間，他兩次邀請中國駐屯軍高級軍官訪問山西；一九二八年，張作霖的顧問土肥原賢二到訪山西時，受到他極為熱情周到的接待；一九三〇年，在與蔣介石進行的中原大戰中敗北後，躲避在大連的他受到日本人的精心庇護；一九三一年，在日本飛機的護送下他重回山西。閻錫山在山西的日子過得很不錯，他對自己是全國皆知的親日派頗為自得：“在中國會走日本路線的，只有我閻錫山一個人。”中日關係緊張起來之後，現在率第五師團攻擊平型關的板垣徵四郎曾對閻錫山的部下說過：“只要閻錫山不作一切抗日準備，永遠與日本親善友好，日本今後對他仍然盡力支持，給予應有的幫助。”閻錫山自己也認為：“華北縱然被日本打進來，山西境內也不會發生什麼戰事。”
然而，日本人的企圖是，把河北、山東、山西、察哈爾、綏遠五省從中國的版圖中分離出去。日方多次派代表來山西，企圖利用與閻錫山的親密關係，利用閻錫山與蔣介石的矛盾，拉攏閻錫山出面充當日本製造的“華北五省自治”政府的頭面人物。但是，日本人意外地在閻錫山那裡碰了釘子。閻錫山不是個糊塗人。除了作為中國人在民族大義上所秉持的基本底線外，他認為日本人嚴重的損害了他的利益。閻錫山將山西盛產的煤炭和鐵礦運往日本，交換來大型工廠和其他機械設備，在山西建起了一個龐大的工業體系，這一體系需要巨大的市場來維繫。可是自日軍佔領平津後，山西銷往華北的煤炭已被日本人截斷，支撐山西經濟的棉花銷售也受到了日貨的衝擊。日軍佔領熱河後，把山西商人全部趕走，徹底損害了山西錢莊和商人在熱河的經濟利益。更嚴重的是，日軍相繼侵占綏遠和察哈爾一帶，南下進入山西的企圖十分明顯。所以，擺在閻錫山面前的要害問題是，他必須要保住自辛亥年間成為山西大都督後苦心經營了二十多年的山西地盤：“你們看看九一八的東四省（遼寧、吉林、黑龍江、熱河），現在的察北，在這種情勢下，要不想叫人把自己的財產搶了，除過這一塊土上的人大家起來抵抗死守，還有什麼好法子？”
閻錫山與日本人翻臉了。
閻錫山是個喜歡自己創造名詞、思想和理論的人。自決心抗日後，他提出的最著名的口號是“守土抗戰”。閻錫山對這一口號的解釋是：“以反侵略反畏縮的意義，站在整個國家責任立場上，純論是非、不顧成敗的抗敵行為。”閻錫山不下決心便罷，下了決心就表現得十分強硬，聲稱：“我已抱定決心，不惜犧牲性命，為救山西。但同時我也要擒住山西人，與我一塊犧牲。”他訓練山西的官員、民眾和學生，組建起一支一萬多人的“預備軍官團”，同時大量吸引華北各省的愛國學生進入山西的軍官學校，以至於太原大街上的人“至少有一半穿著軍裝”。閻錫山認為，他的晉軍向來以“守”聞名，於是他提出的又一個口號是：“能守住就能存在”。為了表示自己的抗戰決心，他把父親留給他的八十七萬元遺產以他母親的名義捐給了綏遠前線。在閻錫山的帶動下，晉軍軍官們紛紛捐款，山西的民眾和學生也發起了節衣縮食運動支援抗戰。
城府極深的閻錫山看待任何事，都如同面對一本需要分析的商業賬目。他說他無論幹什麼都必須顧到“利”：“以我們守土抗戰說，是地方長官義不容辭的責任，應當盡力而為之，成功是成功，失敗也是成功，不容返顧。當漢奸，國人共棄，是義所不當為者，失敗是失敗，成功也是失敗，不容嘗試。收復失地，是以成敗定是非。成功是成功，失敗是失敗，必須審慎，到能成功的時候，才可為之。要是不估計我們的力量，和守土抗戰認為同樣的路線，孤注一擲，那就不但不能收復東四省，恐怕連華北華南也要失掉！要知道當敵人進攻東四省的時候，我們和他拼命，是個義；現在想得收復失地，必須顧到利。”
誰能真正讀懂這個說話擅長繞來繞去的閻錫山？
唯一可以肯定的是，閻錫山顧不了別處，但要為自己的地盤盡“義不容辭的責任”。
閻錫山與蔣介石之間的貌合神離人所共知。一九三六年二月，在中央紅軍發動東征戰役，從陝北大舉進入山西後，閻錫山與蔣介石的矛盾逐漸激化。一心想吃掉閻錫山的蔣介石，以閻錫山請求軍事支援為藉口，立即任命陳誠為“剿匪”總指揮，同時派出自己的嫡係部隊星夜疾馳進入山西。紅軍回師之後，蔣介石的部隊不但賴在山西不走，蔣介石還利用各種手段拉攏晉軍將領，使他們與閻錫山離心離德。對此，閻錫山不惜動用了非常手段，靠收買衛士將投靠蔣介石的晉軍將領暗殺了——“我不亡於共，亦要亡於蔣。”閻錫山對蔣介石最大的不滿，是當日軍威脅山西的企圖已趨明顯時，蔣介石在援助緩遠的問題上態度消極。一九三六年夏，閻錫山認定“綏遠、晉北是日之在所必取”，如不守，這裡會成為另一個“滿洲國”，守則需要“強大之兵力與堅固之工事”，因此希望南京政府給予支持。為此，他甚至同意“將晉綏軍隊與國家財政統歸中央”，可蔣介石只是一再命令他出兵陝北“圍剿”共產黨武裝。顯然，閻錫山已經算計出，此刻對於他的山西來講，日本人的威脅為當務之急。他回复蔣介石：鈞座可以另派部隊，晉軍決不出兵陝北。閻錫山知道他的山西“要有絕大的危難”，而依靠蔣介石解山西之危幾近幻想。所以，他“決心自己犧牲一切，能救幾分救幾分”。
毫無疑問，閻錫山對共產黨不但充滿懼怕，也充滿仇恨，特別是共產黨武裝長征到達陝北之後，與他的山西一河之隔，令他更加萬分警覺。他在山西組織了一個龐大嚴密的“防共”網，制訂了各種各樣的“防共”措施，命令“所有各縣境內暗通共黨及扶助共黨危害地方之人民，應即嚴拿立予槍斃”。閻錫山的懸賞令是：“一、凡在省會拿獲確有證據之共產黨者，每名賞大洋一百元；二、拿獲共探者每名賞大洋二百元；三、通風報信因而拿獲者，每名賞大洋五十元；四、賞洋立時向綏署領取。”懸賞令一下，山西全省草木皆兵，為了領賞，乞丐、行旅和小販都成了共產黨，甚至身上發現了紅線、紅布條者也會被當即逮捕。由於“嫌疑犯”殺得太多，連閻錫山自己都承認“各縣辦理此種案件，不免有草菅人命之情事”。但是，對於中國共產黨堅定的抗日立場，閻錫山既是確信不疑的又是己所急需的：“東北失守後，張學良退出東三省，堅持抗戰的都是共產黨，沒有一個國民黨，假如日本人打進山西來，山西抵抗不了，蔣介石也抵抗不了，怎麼辦？”希望保住地盤的閻錫山開始考慮聯共問題，他認為藉助共產黨的力量或許是保存自己的一條出路。信奉“存在就是一切”的閻錫山不再提“防共”了，轉而提出山西的第一政策是清除漢奸。一九三六年九月，儘管明知有共產黨地下組織的支持，他還是宣布以動員山西民眾抗日為宗旨的“犧牲救國同盟會”成立，並親任會長。閻錫山表示：“和平的確到了絕望的時候，犧牲確已到了最後的關頭。”看到了閻錫山的轉變，共產黨人托晉軍第六十六旅三九二團團長郭登瀛給他帶來了毛澤東的親筆信。毛澤東在信中勸解閻錫山：“救國大計，非一手一足之烈所能集事。敝軍抗日被阻，然此志如昨，千迴百折，非達目的不止，亦料先生等終有覺悟的一日。”共產黨方面表示願意與閻錫山達成諒解，聯合一致共同抗日。出於內心的不踏實，閻錫山召集將領和幕僚們舉行了一次“民意測驗”，題目是：如果日本進攻綏遠，是中立好，還是幫助日本人打共產黨好？還是聯合紅軍抗日好？閻錫山要求當即不答，給出審慎思考的時間。 ——“數日後開會表決，到會三十八人，以三十一對七票成決議，贊成聯合紅軍抗日。”
歷史在某一時刻會突然變得令人驚愕：昨天還在血拼的不共戴天的兩軍，今天成為需要協同作戰的盟者。坐在閻錫山客廳裡的共產黨人，周恩來自不必說，彭德懷和徐向前都是與國民黨軍隊血拼的悍將。此時此刻，閻錫山絕不會想到，僅僅十年後，正是面前的這兩個共產黨將領共同指揮了攻擊他老巢的太原戰役，將他和他指揮的國民黨軍趕出了他至死也沒能再見一面的山西。
平津相繼失陷後，閻錫山到南京接受了第二戰區司令長官的任命。在南京期間，他聆聽了周恩來代表中國共產黨在國防會議上發表的對抗日戰爭戰略意見。回到寓所後，閻錫山對隨員說了這樣一句話：“非打不行了！不打，共產黨不答應！”
共產黨武裝已經進入他的地盤，因此閻錫山對共產黨方面格外在意。
晉北戰局的惡化速度大大出乎閻錫山的意料，不到一個月的時間日軍就從綏遠一直打到了內長城腳下，已經逼近太原。
閻錫山希望八路軍能夠發揮作用，憑他以往與共產黨武裝作戰的經驗，他知道八路軍能夠起到作用。
“八路軍上來了！”的消息迅速傳遍全中國。
儘管換上國民黨軍的帽徽的時候，紅軍官兵的思想出現了波動，但經過耐心的講解工作以及給每個官兵發了一枚“紅軍十年艱苦奮鬥”獎章，紅軍官兵打鬼子的熱情不斷高漲起來。
一九三七年八月二十二日，八路軍第一一五師三四三旅作為先遣部隊從陝西三原出發，該師第三四四旅和直屬部隊相繼跟進，於韓城東渡黃河；第一二〇師於九月三日從陝西富平出發，緊隨第一一五師於韓城東渡黃河；第一二九師作為第二批出動部隊移駐富平，並準備於九月三十日出發。八路軍集結於晉北，一是因為這裡是其從陝北開赴抗日戰場最便捷的地方；二是因為晉北複雜的地形不利於日軍坦克大砲等重武器作戰，卻有利於八路軍發揮其山地游擊戰的優勢。九月二十一日，朱德、任弼時、左權、鄧小平等率八路軍總部進抵太原。
八路軍出發前，在陝西涇陽縣的雲陽鎮召開了抗日誓師大會。會場上掛著“為保衛國土流盡最後一滴血”的標語，老百姓把會場外圍擠得里三層外三層，很多人趴在樹枝和屋頂上。在朱德的帶領下，八路軍官兵把《八路軍出師抗日誓詞》複誦得震天響：
日本帝國主義，是中華民族的死敵，它要亡我國家，滅我種族，殺害我們父母兄弟，姦淫我們母妻姐妹，燒我們的莊稼房屋，毀我們的耕具牲口。為了民族，為了國家，為了同胞，為了子孫，我們只有抗戰到底。
我們是工農出身，不侵犯群眾一針一線，替民眾謀福利，對友軍要親愛，對革命要忠誠。如果違反民族利益，願受革命紀律的製裁，同志的指責。謹此宣誓。
八路軍出發了。
正是收秋的日子，沿途的大道兩邊，老百姓擺著茶壺茶水和乾糧雞蛋。前方不斷傳來日軍仍在向南推進的消息。過黃河的時候，八路軍官兵默不作聲，想起了去年紅軍東渡黃河時犧牲在這裡的戰友，船工的號子在沉寂的天地間此起彼伏。
八路軍行軍到達同蒲路，閻錫山派出的火車已在侯馬車站等候。官兵們轉乘火車一路向北，鐵路兩邊開始出現躲避戰火的難民了，官兵們知道離作戰前線越來越近了。
第一一五師第三四三旅六八五團團長楊得志率領部隊乘火車抵達太原車站時，已是午夜。楊得志奉命去城裡的一個晉軍招待所找到他的師長林彪並接受任務。太原城門緊閉，楊團長通過城門後，不認識城裡的路，只好雇了輛黃包車。拉車的是個骨瘦如柴的老人，楊團長不忍心坐。可老人聽說是八路軍，不但願意拉，而且怎麼也不收錢。楊團長說，這不是車錢，是我們請您老人家吃頓飯，老人掉了眼淚。
見到師長林彪，林彪表情嚴肅：原定的作戰計劃有變。
根據中共中央政治局洛川會議決議，八路軍的基本任務是：創建抗日根據地，箝制與消耗敵人，配合友軍作戰，保存和擴大自己。戰略方針是：獨立自主的山地游擊戰。作戰區域是：冀、察、晉、綏四省的交界地帶。當時毛澤東的設想是：把八路軍的三個師集中使用，放在恆山山脈之中以開闢根據地。但是，現在敵情發生了變化：平漢路和津浦路上的日軍推進到了石家莊和德州一線，平綏路上的日軍佔領大同後正沿著同蒲路南下，其第五師團更是南下到了平型關附近，中國軍隊第二戰區部隊已全面退守至平型關、雁門關內長城一線。毛澤東的判斷是：日軍採取的是大迂迴戰術，企圖奪取太原，威脅平漢路的側背，進而實現奪取華北五省的目標。因此，中共中央決定，改變八路軍集中配置恆山地域的原定部署，改成配置於山西的四角：第一二〇師轉至晉西北地區；第一一五師進入恆山山脈南段並準備逐漸南移太行山和太嶽山方向；第一二九師進至以呂梁山為依託的晉西南地區。這樣的變更，能夠對日軍佔領的中心城市和主要交通要道形成包圍態勢，可以保持八路軍在戰略上的主動，有利於山地游擊戰的開展，也有利於配合友軍機動作戰。但是，閻錫山集中兵力於平型關與日軍決戰的計劃已定，並要求八路軍出擊日軍的側背。為了完成第二戰區交代的作戰任務，除命令第一二〇師進至雁門關以西地區，側擊由大同南下的關東軍察哈爾兵團以冊應平型關外，八路軍第一一五師還必須立即向平型關前進，迅速派出偵察分隊偵察敵情和地形，準備投入作戰——毛澤東曾明確說過，八路軍“不打硬仗”，但是，即將發動的平型關一戰，無論採取什麼形式作戰，都已超出了“山地游擊戰”的範疇，都將是一場與日軍面對面的硬仗。
第一一五師轉向平型關方向急速前進。
從太原乘火車繼續往北，沒走多遠就遭到日軍飛機的轟炸。待列車開到原平車站時，鐵路被炸毀了，而這裡距平型關尚有一百多公里。心急如焚的閻錫山立即派出一個汽車團前往接應。這個汽車團是閻錫山的寶貝，全團清一色的美式卡車——閻錫山不惜一切也要把八路軍運送上去。楊得志團長坐在一輛卡車的駕駛室裡，司機是個在國民黨軍中服役多年的中年漢子，他的過分客氣讓楊得志感到很不自在，後來楊團長才明白了這個國民黨老兵客氣的原因：
最後一次“圍剿”你們，我就開車到了江西。後來，你們長征——我們長官說叫“西竄”——我又開車跟過你們，不久前才調到山西來的。我開車，沒打過仗，可見過你們。我曾想跑到你們那裡去，可又一想：共產黨沒有汽車，我又不會打仗，去送死呀？你想，我被抓來當兵，家裡上有爹娘，下有老婆孩子，我死了他們咋活？現在，我雖然活著，但也不知道他們還喘氣不喘氣哩！這回好了。共產黨和國民黨不打仗了，大家一塊打日本鬼子，打完日本鬼子我就可以回家了。我不是當著您說好聽的，要真的正兒八經打鬼子，還得靠你們呀！要是我跟著你們，讓鬼子打死了，那也不屈。中國人嘛！還能讓個小東洋欺負著？
第一一五師趕到了平型關以西的大營，在那裡撞上了從前線下來的潰兵，一問是從靈丘方向一路退下來的。第一一五師的戰士攔住了他們，潰兵們指手畫腳地向八路軍形容日軍的火力如何猛烈。
日軍板垣徵四郎的第五師團正向平型關直撲而來。
平型關，位於晉北繁峙縣的東北方向，自古為交通要衝。其西面是恆山，東面是太行山，兩山之間縱貫一條大道，即蔚代（蔚縣至代縣）公路。沿著這條公路，從蔚縣以南的靈丘至平型關約三十公里。公路的兩端的勢較為平緩，只有小寨村至老爺廟一段地勢險峻：兩山夾著一條溝，溝深十至三十米，寬十至二十米，兩側陡壁如削——只要進入溝內，兵力和火力都難以展開，是個伏擊殲敵的好戰場。
此時，日軍第五師團由渾源、靈丘和淶源分三路由東向西攻擊，三路日軍相距較遠，攻擊平型關的日軍約為一個旅團的兵力。板垣徵四郎深知平型關地勢險要，因此在這個方向採取的是正面逼迫、側翼強攻的戰術，即用小部隊抄小路插入平型關的側後，以威脅正面阻擊的中國軍隊。具體部署是：第二十一旅團旅團長三浦敏事率三個大隊實施正面攻擊，第二十一聯隊隊長粟飯原秀率兩個大隊偷襲平型關側後。
中國軍隊平型關地區作戰方案由第七集團軍總司令傅作義、第六集團軍總司令楊愛源以及第十八集團軍第一一五師聯絡參謀一起商定，並由第六集團軍總司令部發布：正面主攻部隊為第七十一師附新編第二師。第七十一師一個團自團城口至2141.96高地間沿著山麓向東再向南迂迴，以團城口北面的蔡家峪、小寨為攻擊目標；兩個團由2141.96高地至西河口之間向東攻擊，掩護團城口正面攻擊部隊的左側，截斷日軍向北撤渾源之路，以平型關以北的王莊堡為攻擊目標；一個團為預備隊，由團城口附近前進。第十七軍第八十四師固守平型關正面原陣地。獨立第八旅以一部協助第七十一師攻擊，以辛莊為攻擊目標。八路軍第一一五師擔任敵後各地之攻擊，以團城口以東的東河南至團城口以北的蔡家峪為攻擊目標。
二十四日，傅作義進駐平型關以南的大營指揮部。
應該說，中國軍隊的作戰計劃是一個很不錯的局部圍殲計劃，即正面高桂滋的第十七軍第八十四師死守不退，同時確保平型關側翼在我手中，等日軍進入平型關後，由林彪的第一一五師和郭宗汾的第七十一師兩面夾擊，將進入險要地段內的日軍全殲。其要點是：正面要守住，出擊要迅猛，配合要默契，殲敵要果斷。
十三日，第一一五師召開了連以上乾部會議進行戰前動員。晚上，師部率主力推進到平型關東南十五公里處的冉莊地區。二十四日，林彪和副師長聶榮臻根據地形勘察結果，確定在平型關東北方向的關溝至東河南村之間長約十三公里的公路兩側設伏。其部署是：以第三四三旅的兩團擔任主攻，其六八五團佔領關溝至老爺廟以東高地，截住敵人的先頭部隊；六八六團佔領小寨至老爺廟以東高地，分割殲滅沿著公路開進的日軍，爾後協助六八五團向平型關以西東跑池方向發展。以第三四四旅六八七團佔領西溝村、蔡家峪、東河南村以南的高地，斷敵退路，阻敵增援；以六八八團為預備隊，置於東長城、黑山村附近。師獨立團和騎兵營插到靈丘、淶源、渾源之間地區，箝制和打擊增援平型關之敵。
午夜，第一一五師在黑暗中冒著傾盆大雨向平型關開進，拂曉前全部進入陣地。
但是，就在第一一五師官兵向陣地前行之時，擔任平型關正面阻擊任務的第八十四師擅自放棄了陣地。
防守平型關正面陣地團城口的第八十四師，始終承受著日軍的強大攻勢，殘酷的阻擊戰幾乎一直未停，以致軍長兼師長高桂滋不斷地求援。第八十四師由原屬西北軍的陝軍一部演變而來，在歷史淵源上與閻錫山的晉綏軍沒有太多的關係。此次編成戰鬥序列時，在閻錫山和他的晉綏軍將領們看來，第八十四師是“半嫡系的準中央軍”，即他們通常所稱的“客軍”，既然是客就不是自家人——中國地方軍閥間相互排斥和彼此掣肘的惡習，在戰場上影響勝負的關鍵時刻再次顯露出只管自己不顧其餘的頑劣。高桂滋擔負著最嚴酷的正面阻擊任務，心裡本已感受到晉綏軍是在“欺客”；而面對高桂滋一再請求增援的電報，閻錫山的將領們本著“客軍都是打一板子叫十聲的”的觀念，增援一事就是只說不做。最後時刻，高桂滋甚至在求援電報裡用了“最後哀鳴，伏維矜鑑”的字樣，聲稱“再無援軍，只有出於冒犯軍令進行撤退之一途”。但第六集團軍副總司令孫楚堅持說，所有部隊都“同樣受到猛攻”，沒有多餘的兵力派出。
新任第六十一軍軍長陳長捷的分析是：
由於攻平型關之敵源源北展，高（高桂滋）部發生了恐慌。一聞郭軍（郭宗汾的第七十一師）到達大營，更加緊向孫楚呼告不克支持，且直接要求郭軍即刻增加前線守禦。郭以奉令出擊為辭。孫（孫楚）對雙方爭執，未加明確節制，固認高部意存避敵，以為郭軍集結好一展開出擊，便可立解糾紛。十四日晚，敵對高部陣地右翼西跑池和團城口兩處發動夜攻，高已覺形勢嚴重，要求開到齊城的郭軍一部就近增加於西跑池，郭又未允。當夜孫楚適得八路軍高參通報：林師已阻截平型關、東河南敵後的公路，即對敵發動抄擊，並以一部向大小含水嶺挺進，接應團城口、平型關大軍進擊。形勢大好，敵已陷我掌握之中。孫楚認為高部縱感緊急也是暫時的，可以堅持；郭軍須集結全力做大規模出擊，不可分割應付，以免陷於肢著。
但是，高桂滋部的說法卻是閻錫山為保存實力“按兵不動”。為了堵住日軍第五師團的攻擊，第八十四師自二十二日起一直處於苦戰中。戰鬥的第一天第二五一旅五〇二團團長腹部中彈，營長李榮光陣亡。儘管部隊傷亡巨大卻依然堅持著，就是因為每每聽說閻錫山的援軍就要抵達。可是打到第四天，援軍依舊不見踪影。日軍的攻擊已經不分白天黑夜，大雨中，第八十四師官兵不得不下半身浸在泥水里作戰。第二五一旅旅長高建白火了：增援的時間一拖再拖，這是你們晉綏軍的地盤，我們是來替你們打仗的，你們怎麼能眼看著我們就這樣死光？為了國家，軍人理應抱犧牲之決心挽救危亡，可是晉綏軍也是身穿軍服手持武器，卻作壁上觀！至於“擅自放棄戰地”的指責，高建白旅長更是牢騷滿腹：
我全線官兵，義憤痛恨，達於極點，眼看英勇殺敵的愛國弟兄們一批一批死於炮火與肉搏之中，而十六個團近在咫尺，旁若無事。大家都氣憤地說：“這是何道理！這是何道理！”十時，敵趁雨猛烈反攻，千呼萬喚晉綏軍的兩個連才姍姍而來……我們再三請求他們開入陣地，參加戰鬥，他們趑趄不前……我旅官兵自二十一日入關，浴血奮戰已有一周，官兵有三日沒有吃飯、六日未曾休息者。加以風雨侵襲，槍口內塞滿了雨泥，最後只得憑手榴彈來拼命防禦。我官兵在敵炮火猛烈掃射下，多數壯烈犧牲。下午，呂曉韜團長也陷敵重圍之中，我派奮勇隊沖入敵圍，將呂團長接出。這時官兵傷亡慘重，全線數處被敵突破，彈盡援絕，被迫後撤。
無論真相如何，事實已經造成：當八路軍第一一五師出擊的時候，平型關的側後陣地已經丟失，原計劃與他們配合夾擊日軍的第七十一師出擊道路被日軍堵塞。二十五日拂曉，第七十一師按原計劃出擊，遭到日軍猛烈炮火的攔截，日軍居高臨下地俯衝下來，將第七十一師壓迫在了迷回、澗頭的一側——所謂“夾擊圍殲”的作戰計劃在八路軍第一一五師出擊之時已經成為泡影。
但是，第一一五師還是準時出擊了。
共產黨武裝此時沒有任何別的選擇，只有不顧一切地向當面之敵勇猛地殺去！
團城口、鷂子澗、東西跑池一線，大約兩公里的正面要點均被日軍佔領。日軍認為一頭控制了平型關入口，一頭控制了靈丘城，這就等於控制了靈丘至平型關三十公里的通道。從軍事常識上講，這應該是一條安全的通道了。
因此，對於八路軍的伏擊，日軍完全沒有防備。
二十五日上午，日軍第六兵站汽車隊攜帶著大量輜重由靈丘向平型關開進。這是一支由八十多輛汽車、一百多輛馬車和幾百名官兵組成的隊伍。大雨後的道路泥濘不堪，幾乎所有的日軍官兵都坐在車上，山谷狹窄，車馬擁擠，行進緩慢。由於自認為道路安全，加之進入中國後所向披靡，因此日軍竟然沒有派出尖兵開路，也沒有派出搜索隊對道路兩側進行偵察，而是堂而皇之開過來了。上午十時左右，日軍前鋒出了南面老爺廟溝口，後衛也過了北面的小寨，蔡家峪以東看不見日軍了——日軍已全部進入了八路軍第一一五師的伏擊圈。
負責迎頭截擊的是楊得志的六八五團。
這個團是共產黨武裝力量的老底子部隊之一，三個營都有著光榮的歷史，三位營長都是紅軍時期的干部一營是朱德從南昌起義帶出來的部隊，營長劉正；二營是毛澤東從秋收起義部隊中帶出來的，營長曾國華；三營是贛西南黃公略領導的紅三軍的底子，營長梁興初。全團許多戰士都是經歷過萬里長征的了不起的士兵。
包括楊團長在內，六八五團全團沒有一塊手錶，官兵們不知道確切的時間，直到聽見了日軍的汽車馬達聲傳來。大雨停了，的還是濕的，官兵們伏在地上，軍裝都濕透了，遠遠地看到了第一輛汽車上的太陽旗，然後看見了坐在車上頭戴鋼盔、身穿黃呢大衣、把上了刺刀的步槍抱在胸前的步兵。這是八路軍官兵第一次見到日軍。
他們的印像是：“真有些不可一世的味道。”
第一輛汽車到了六八五團陣地前，楊得志團長發出了開火的命令。八路軍的子彈和手榴彈從天而降，日軍的汽車和馬車相互撞擊著，步兵們驚慌失措地滾下車來四處散開。火焰在公路上沖天而起，日軍官兵的身上鮮血直流，到處是驚叫聲。短暫的驚慌之後，日軍軍官們舉起了指揮刀，士兵們從汽車底下爬出來，開始形成戰鬥小組，向公路邊的高地衝去。
六八五團一營衝到公路邊，一連和三連搶先一步衝上高地，把正在攀爬的日軍打了下去。然後轉身一個反沖鋒，把眼前的這股日軍消滅了。四連在搶占高地時晚了一步，衝擊時連長負傷，一排長替代指揮位置，全連分成兩路猛攻，最終把爬上高地的日軍逼回了公路。這時候，日軍的飛機來了，低空盤旋著，但無法射擊和投彈，因為雙方已經完全混戰在了一起。
最激烈的白刃格斗在二、三營的陣地上展開。二營五連連長曾賢生同志，外號叫“猛子”。戰鬥打響前，他就鼓勵部隊說：“靠我們近戰夜戰的光榮傳統，用手榴彈刺刀和鬼子乾，讓他們死也不能死