为预备队的作战部署，在现场机动指挥战斗的进行。作战中，他突破了原先提出的动用1个旅的计划，实际是使用了全师的兵力，这是根据实际情况而采取的变更，也反映了他希望大打一仗、获得重大战果的心理。而这一变更对平型关战斗的胜利产生了积极的作用。
24日；第2战区第6集团军给第115师送来〃25日平型关出击计划〃，拟以8个团兵力，配合第115师向平型关以东的日军出击。同日，第115师组织营以上指挥员进行实地勘察；并确定部署：
第343旅第686团占领小寨村至老爷庙以东高地；实施中间突击，分割歼灭沿公路开进的日军；尔后向东跑池方向发展进攻；
第343旅第685团占领老爷庙西南至乔沟以北高地，截击日军先头部队，协同第686团围歼进入伏击地域的日军，并阻击由东跑池回援的日军，尔后协同第686团及防守平型关的国民党军夹击东跑池的日军；
第344旅第687团占领西沟村至蔡家峪以南高地，断敌退路，并阻击由灵丘和浑源方向来援的日军；第344旅第688团进入东长城村地域为师预备队。
为隐蔽行动企图，达成战斗的突然性，各部队当晚冒雨进入阵地，并于25日拂晓前完成了战斗准备。
埋伏在乔沟两侧的数千名八路军官兵在焦急地等待着即将来临的光荣时刻。
9月25日拂晓时刻，从小寨村方向传来隐隐约约的汽车马达声。日军第5师团第21旅团的一个大队和大部分辎重车辆，由灵丘方向开来。大约100多辆汽车在前开路，随后的200多辆大卡车上坐满了戴着钢盔的日军，最后压阵的是少数骑兵。日军鱼贯进入乔沟后，其纵队虽然前后衔接，但由于道路狭窄，加之雨后泥泞，车辆拥挤堵塞，行动较为缓慢。由于南下以来基本上没有遇到抵抗，日军此时也没有意识到他们进入乔沟就等于进入一条死胡同，更没有想到八路军第115师在此险境早以设下天罗地网，等他们全部进入了伏击圈。
7时许，日军全部进入第115师设伏地域。
林彪下达了攻击命令。
已经无法说清是哪支部队先开的枪。随着红绿两色信号弹升上天空，震耳欲聋的枪炮声便响彻了整个山谷。方才正大摇大摆、如入无人之境行进的日军，突然遭到居高临下的猛烈袭击。115师突然以步枪、机关枪、手榴弹的猛烈火力，给日军以大量杀伤，敌阵形顿时大乱，山沟里，车撞车，人挤入，马嘶人窜，火光闪闪，烟雾弥漫。站在指挥所前的林彪和聂荣臻看得清清楚楚，他们一商量，决定把敌人切成几段，分段吃掉它。随即林彪下达了全线出击的命令。
第685团迎头截击；歼日军一部。第687团将日军后尾部队分割包围于蔡家峪和西沟村，并将抢占韩家湾北侧高地的一股日军迅速歼灭，切断了日军退路。第686团第1、第3营勇猛地冲向公路，同日军展开白刃格斗。日军死伤惨重，但仍利用车辆辎重作掩护进行顽抗。其中一部企图抢占公路西侧老爷庙及其附近高地，掩护突围。第686团第3营迅速冲过公路，抢先敌人占领了老爷庙及其以北高地，与公路东侧部队对日军构成两面夹击之势，并将日军压迫于老爷庙至小寨村的狭谷之中。被围日军连续向老爷庙疯狂反扑，企图突围，均被扼守该地的第3营击退。为解救被围日军，先期进占东跑池的日军一部回援，被第685团阻击。日军第5师团长板垣征四郎急令其在蔚县、涞源的部队速向平型关增援，又被第115师独立团、骑兵营阻击于灵丘以北和以东地区，并在灵丘以东打死打伤日军300余人。被围于老爷庙至小寨村的日军，在6架飞机掩护下，再次猛攻老爷庙及附近地区，仍未得逞。接着，第686团集中全力，在第685团和第687团各一部协同下，将被围的日军全歼。
值得一提的是，在这次战役中，一种制作简单，看似平常，却对整个战役的胜利起了重要作用的秘密武器铡草刀立了大功。
板垣师团是日本的王牌军之一，在日本侵华战争中，一直是先锋军。其装备精良，机械化程度高。115师的官兵们只有小米加步枪。要让敌人进了伏击圈又出不去，就必须在适当的时候破坏掉敌人的汽车等交通工具。匕首、菜刀，只能手持着才能割破轮胎，这在战斗打响前是办不到的。铡草刀，刃利、背宽，破坏性大，稳定性好，很适宜在道路上埋设，且大部分老乡家里都有，收集容易。在敌人经过的路上，预先挖一些窄沟，将铡草刀背朝下、刃朝上，或横竖地埋好，露出地面５厘米左右。当轮胎碾上去的时候，铡草刀自身也不会发出任何响声，但轮胎外胎已被割裂，内胎不堪车身的重压，跟着爆裂，整个汽车就瘫痪了，不但跑不动，反而变成阻碍敌人前进或后退的路障。而这时，115师如神兵天降，打得鬼子晕头转向，最后只好丢下一千多具尸体和大批武器辎重，仓皇逃窜。
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115师血战平型关（2）
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平型关地形
在打扫战场时，发现日军尸体1000多人，而115师各团报上来的自己的伤亡数字是600多人，捣毁汽车百余辆、大车200余辆，缴获大批军用物资。由于日军顽强的抵抗，血战从上午７时开始，到下午4时才结束。十里乔沟尸横遍地，连空气中都弥漫了血腥气息。
程继贤（1910…1937）陆军第72师434团上校团长（山西太谷人）。1937年9月下旬，程奉命率部驰援平型关，一举攻占了平型关要地鹞子涧。日军增兵夹击程部，企图夺回阵地。程抱定与阵地共存亡的决心，率领不足千人的兵力，与优势之敌人展开了激烈的争夺战。后因弹尽援绝，程与所部官兵均壮烈牺牲。
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板垣首遭重创
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战前，在寺内和板垣的谈话中，极少提到共产党领导下的八路军一支十分神秘的弱小部队。也许这支装备极差、人数很少的队伍不值一提。他们都不会想到，强大的第5师团刚到达平型关下，还未放开手脚，就遭到一次惨重的打击。给予他们重重的一击，又恰恰是这支他们不屑一提的队伍。
正当板垣期待攻下平型关，太原就指日可待了，整个华北即可成为大日本帝国的囊中之物的美梦之际，他接到报告：第21旅团后卫和辎重部队在平型关东北面的乔沟被众多的中国军队包围，已处于被全歼的危境之中。
这时候，板垣还不知道给他敲响警钟的，恰恰是他并未放在眼里的八路军。正像后来日本决策当局所醒悟到的日本还未准备与有名的八路军作战，八路军则准备与日军长期战斗。
第5师团的司令部里顿时乱了套。板垣立即请华北方面军派飞机到乔沟一带助战，同时命令在蔚县的第42联队派两个大队乘汽车迅速前往增援。然而，飞机飞临战场上空时，因双方已混战在一起，无法支援地面部队作战。前往增援的各路日军尚在途中，乔沟的战斗就已结束。
3天之后，板垣才从震惊中回过神来，派出平岩大队去乔沟清理战场实际上是去收尸。八路军只将自己的伤亡人员和缴获的军用物资运走，众多的日军尸体和被击毁的车辆仍遗弃在战场上。
后来，平岩大队将清理战场的情况写成一份报告：
9月28日，龙泽中队得到友军的支援后，勇气百倍再次继续前进中，此时遇到意外的情景，一刹那间吓得停步不前。冷静下来看时，行进中的汽车联队似遭突袭全被歼灭，100余辆汽车惨遭毁灭，每隔20米倒着一辆汽车残骸。公路上有新庄中佐等阵亡者，或被烧焦躺在驾驶室里的无数尸体。一片惨状，目不忍睹。
用了长达3个小时，才把一辆辆烧焦的汽车拖到公路的一边，处理好阵亡者的尸体，公路勉强可以通行，龙泽中队开始前进，到达岭上。从岭上往峡谷一看，辎重车辆队不是也全部覆灭吗？！公路不是被辎重车辆层层叠叠的尸体堵塞着了吗？！宛若地狱图画的悲惨情景。
龙泽中队长鼓励饥肠辘辘和因震惊而意志消沉的士兵，收集阵亡者的指甲，识别标志，把车辆运到后边的空地上，以及收拾尸体和马匹，约用2个小时完成这些作业后，公路才勉强能够通行。这时，在半山腰发现并救出3名半死不活的伤兵
这一切似乎来得太突然。
平型关，无疑给板垣留下了难以磨灭的印象。1948年12月22日深夜，在东京鸭巢监狱内，当板垣征四郎和东条英机、土肥原贤二等人被送上绞刑架时，也许他会意识到，他的厄运正是从平型关开始的
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打折扣的战果
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八路军的此战胜利，本可扩大战果，但阎锡山却不以全力相机出击，晋军内部相互推诿，导致错失战机。而日军攻平型关孟旅阵地不克，遂转攻高桂滋军据守之团城口、鹞子间、西跑池间阵地。高桂滋尚无重大伤亡即向孙楚告急，要求到达大营的郭宗汾军增援。郭宗汾军长以奉令出击为由，拒绝加入高军阵地。孙楚明知高桂滋有意夸大敌情，却对高、郭之争不置一词，以为郭军一旦出击则争议自然消失。而放弃团城口等阵地的高桂滋，为解脱自己，在太原各报攻击郭宗汾不予援助。反阎的续范亭，借题发挥，拾起高桂滋谰言攻击郭宗汾，把他与李服膺相提并论，并召集群众大会声讨之。傅作义动员高桂滋回援团城口，却被高以所部溃散，尚未收容整理为由拒绝。而陈长捷第61军疾驰之前，傅作义授权其强制收容溃散之所有部队。路上少见散兵游勇，却收容了原配属高军的两个整连炮兵，其所有人员、武器均无损。经询问，高军放弃团城口、鹞子涧、西跑池时均无大的战斗，系高桂滋命令撤退，并拿出高令为证。由此证明，高所谓阵地被敌攻垮等均系谎言。
陈长捷军行至齐城即接敌并开始战斗，救出困守该处之郭宗汾部新编独立第一旅；接着梁春溥旅与西跑池出击之敌激战，敌军溃败逃回鹞子涧及东、�