10月11日，團長賀炳炎、政委廖漢生率領第七一六團向雁門關方向疾進。一路上，看到被日軍燒殺奸淫後的淒慘景象，戰士們眼睛都氣紅了。大家都不願休息，日夜兼程地行軍。經過三天的急行軍，13日晚，部隊到達雁門關西南的老窩村宿營。第二天早上，團偵察兵發現日軍汽車不時地從雁門關上通過，部隊駐地也能聽到南邊隆隆的炮聲。此時，忻口戰役已打響。第七一六團立即派出偵察兵，用了兩天的時間，基本摸清了雁門關一帶的地形，掌握了日軍汽車過往的情況。
10月16日，第七一六團接到情報，得知大同日軍集結了幾百輛汽車，滿載軍用物資，準備經雁門關運往忻口。團當即召開連以上幹部會議，分析情況，進行研究。很快，全團上下掀起了為民複仇的怒潮。
17日淩晨，第七一六團組織團、營指揮員察看地形。爬上黑石頭溝頂，大家看見一條彎彎曲曲的公路，從雁門關盤旋而下，在黑石頭溝處由西向東繞了半個大圈。公路兩旁，一邊是懸崖、深溝，一邊是陡坡，向南不遠有一座石橋。團長賀炳炎對政委廖漢生說：“這真是個打伏擊的好地方。我看，仗就在這裏打。”下定決心後，團給各營下達了任務。部署是：第三營設伏在黑石頭溝，擔任主攻；第一營派一個連向代縣南側警戒，再派一個連埋伏在石橋西側，斷敵退路；第二營作為團預備隊。
10月17日後半夜，第七一六團開始行動。戰士們沿著山間崎嶇小道進入了黑石頭溝。18日拂曉，部隊全部進入伏擊位置，完成了一切戰鬥準備。黎明前的黑夜格外沉寂，戰士們靜靜地潛伏著，耳中隻聽到陣陣秋風刮起的簌簌聲和偶爾傳來的零星炮聲。
18日晨，太陽升起。團觀察哨望著公路，公路上毫無動靜。兩個小時過去了，公路上還是冷冷清清。潛伏的戰士心急了，不時地抬頭張望。營連長立即傳令潛伏的戰士們，要耐心等待，防止暴露目標。
10時許，遠處公路上騰起了塵土，隱隱約約聽到了汽車馬達聲。潛伏的戰士們抑製不住內心的興奮，悄悄傳遞著：“來了，來了！”戰士們擰開手榴彈蓋，兩眼緊盯著公路。突然，第三營營長向團指揮所報告：南麵陽明堡方向向北開來了幾十輛汽車！麵對意外的情況，團長賀炳炎迅速冷靜地考慮著。他曾聽當地群眾說過，日軍汽車隊有時在雁門關地區會車，走得較慢，可能是互相警戒。不料今天就正巧遇上了。他想，仗是要打的，但敵人數量增多，速決全殲恐怕不太容易。但近日敵人在此通過時，沒有遇到過伏擊，比較大意，加上日軍正向忻口猛攻，有恃無恐。隻要我軍突然猛烈地開火，快速行動，仍可殲其大部，至少可以狠抓一把。想到此，他通知各營，按團統一號令行動。日軍兩路汽車相對著向雁門關開來。北麵從廣武來的車隊，約50餘輛，前麵十幾輛車上坐滿了日軍，後麵車上是糧食、彈藥等軍用物資。一個腰挎戰刀的日軍指揮官，站在車廂裏不時地用望遠鏡向兩邊山上觀察。南麵來的車隊，有數十輛，前兩輛車上各坐著十幾個鬼子，駕駛室頂上架著機槍。後麵跟著的幾十輛車，有的車上裝有傷兵、屍體，其他大都是空車。十多分鍾後，北麵來的日軍汽車有十幾輛進入了伏擊區。第三營營長一聲令下，全營步槍、機槍一齊開火，戰士們狠力地向汽車投手榴彈，立刻炸壞了幾輛汽車，堵塞了公路。日軍車隊突遇伏擊，驚慌失措，有的車撞到前車上，車上的日軍紛紛跳下車抵抗。激戰片刻，第三營用火力割斷了敵人，同時令一個連衝向公路。戰士們如猛虎下山，把數十名日軍壓在溝裏，展開激烈的白刃格鬥。伏擊地區的公路上煙塵彌漫，密集的槍聲、手榴彈聲響成一片，震撼山穀。
正激戰中，南麵來的日軍車隊爬上雁門關，有十幾輛車駛入黑石頭溝。團長立刻命南段伏擊的一個連開火，戰士們向前麵的十幾輛車猛烈掃射。日軍遭襲後，車上的鬼子紛紛跳下車組織抵抗。戰士們趁敵人還在混亂中，集中火力，猛烈射擊，連續向敵軍汽車甩手榴彈，片刻打死打傷敵兵十幾名。
北邊的日軍稍作調整後，馬上用迫擊炮向伏擊陣地轟擊，並組織百餘人向第三營左側高地登山。後麵幾十輛汽車也停止了前進。鬼子們紛紛下車，在路邊隱蔽。激戰中，日軍不斷加大兵力向伏擊陣地攻擊，戰士們依托山地，同敵拚殺，一會兒打到半山腰，一會兒又打到公路上，與敵反複衝殺了十幾次。戰至下午4時，第七一六團殲滅日軍300餘人，擊毀汽車20餘輛。根據戰場情況，第七一六團以一部兵力進行鉗製阻擊，主力迅速撤出了戰鬥。