１９３７年９月中旬，为了配合第２战区国民党军作战，阻滞日军的攻势，八路军总部命令第１１５师进至平型关以西大营镇待机。第１１５师进至大营镇后，以第３４３旅前出至平型关东南上寨隐蔽集结，第３４４旅向上寨机动。

　　平型关位于山西省繁峙、灵丘两县邻接处，为内长城重要关隘。９月２０日，日军第５师团第２１旅团一部，占领灵丘县城，并继续向平型关进犯。２３日，八路军总部命令第１１５师向平型关、灵丘间出动，相机侧击向该线进攻之敌。

　　２５日晨，日军第５师团第２１旅团一部和大批辎重车辆，沿灵丘至平型关公路西进。７时许，全部进入第１１５师设伏地域。由于道路狭窄，雨后路面泥泞，其车辆人马拥挤堵塞，行动缓慢。第１１５师立即抓住有利战机，突然发起攻击，打得敌人晕头转向，并乘势将日军压迫于老爷庙至小寨村的狭谷之中。日军在飞机掩护下疯狂反扑，企图突围。我军英勇顽强，与敌展开白刃格斗，打退敌多次反扑，激战至１３时许将被围日军全歼，战斗胜利结束。

　　此战，第１１５师以劣势装备一举歼灭日军精锐第５师团第２１旅团１０００余人，击毁汽车百余辆、马车２００辆。这是全国抗战开始以来中国军队取得的第一次重大胜利。