列車到達侯馬車站時，第115師師部和徐海東指揮的第344旅正在車站附近集結。聶榮臻同周恩來、張治中等人分手，回到師部。
這時候，林彪已經帶著陳光指揮的第343旅前往靈丘。聶榮臻按照預定計劃，帶領第344旅前往晉東北。在原平東站，他們遇到了從前方潰退下來的國民黨軍隊，這些潰兵一路退一路搶東西，看到八路軍開往前方，感到非常驚訝。一個國民黨兵用步槍挑著子彈帶和兩個包裹，扯著嗓門喊：“弟兄們，想留住腦袋，就回頭吧，別逞能了。日本軍隊有飛機、坦克，炮彈比我們的機關槍子彈還多！”
騎在馬上的聶榮臻看到這些潰兵，心中激起一股無名怒火。想起太原東站那些東北流亡學生的熱情歡送，想起父老鄉親們一針一線縫製出來的慰問品，想起那一陣陣嘹亮的抗日歌聲，心中越發難以平靜。他回頭說：“通信員，告訴楊成武團長，獨立團立即開赴平型關以西的大營鎮。”
一場使億萬中國人民為之振奮的戰鬥拉開了序幕。
洛川會議結束後，毛澤東反複研究侵華日軍作戰部署和戰略企圖，及時同八路軍前線指揮員交流情況。１９３７年９月１７日，毛澤東致電朱德、彭德懷、任弼時、林彪、聶榮臻、賀龍、肖克、劉伯承、徐向前等八路軍高級將領，對戰場態勢提出了深刻的見解。毛澤東認為：
“敵攻華北大約分為4路，總兵力約10～15萬人。一路山東，現未出動。又一路津浦線，約一個半團，現攻至馬廠。又一路平漢線，約1個師團，現在涿州以北未動。又一路平綏、同蒲線，約3個師團，為其主力，以大迂回姿勢，企圖奪取太原，威脅平漢線中央軍而最後擊破之，奪取黃河以北。以此姿勢，威脅河南、山東之背，而利於最後奪取山東，完成其奪取華北5省之企圖。其總的戰略方針，是采取右翼迂回。至於上海進兵，於破壞中國經濟命脈外，又鉗製中央軍之主力，以便利其奪取華北。以上是對日寇第一期作戰計劃之基本判斷。”
毛澤東還指出：“日寇右翼之主力，又分為3路，均以追擊姿勢前進。一路沿平綏東段、同蒲北段攻雁門關，判斷約一師團，占大同後，現未動。一路由天鎮占廣靈後，向靈丘、平型關進攻，係向晉綏軍行右翼迂回。一路由張家口占蔚縣後，有攻淶源之勢，係向衛立煌軍及紫荊關部隊左翼迂回。此兩路判斷係組成聯合兵團，至少2個師團，以第一步中央突破之姿勢，達成其第二步分向兩翼迂回之目的。”
在分析國民黨軍隊的態勢時，毛澤東指出：“蔣以衛立煌軍處於敵之包圍中，令其向平漢線撤退。閻以靈丘為山西生命線，擬集中14個團在平型關以北舉行決戰。判斷如決戰勝利，則敵之南進可稍延緩，但必增兵猛攻。如決戰失敗，敵必速攻平型關、雁門關，待後路預備兵團到達後，主力直下太原，使綏遠西境之晉綏軍、恒山山脈南段五台等處之各軍、平漢北段之各軍，均不得不自行撤退，彼可不戰而得上述各地，娘子關之天險亦失其作用。”
這一分析中，毛澤東兩次提到平型關，可見平型關戰略地位重要，可見毛澤東胸懷全局，對平型關戰役早有預見。
毛澤東在分析閻錫山集中１４個團在平型關以北地域進行決戰時，看到了“決戰勝利”與“決戰失敗”兩種可能，並明確指出，日本軍隊“速攻平型關”帶來的嚴重後果。這使八路軍將士更加關注平型關這個要點。
關於日本軍隊的戰略方針意圖，毛澤東說得更明確。這就是：“淶源、靈丘為敵必爭之地。阜平、五台、盂縣如無南北公路，或可暫時不被敵占；如有南北公路，敵有出一支向南切斷正太路之可能。不論如何，恒山山脈必為敵軍奪取冀察晉3省之戰略中樞，向此中樞出動主力，此點已為渾源、蔚縣、廣靈之被占所證明。”
毛主席和朱總司令在研究作戰方針。當時，毛澤東已經看到，晉閻指揮下之傅楊劉湯各軍均失銳氣，不能確信這些軍隊能夠在現陣地根本破壞敵人戰略計劃。而八路軍此時是支隊性質，不起決戰的決定作用。但如部署得當，能起在華北支持遊擊戰爭的決定作用。過去決定八路軍全部在恒山山脈創造遊擊根據地的計劃，在上述敵我情況下，已根本上不適用了。此時如依原計劃執行，將全部處於敵之戰略大迂回中，即使第二步撤向太行山脈，亦在其大迂回中，將完全陷入被動地位。
根據以上分析判斷，毛澤東明確提出了八路軍的戰略部署問題指出：
“為戰略上展開於機動地位，即展開於敵之翼側，鉗製敵之進攻太原與繼續南下，援助晉綏軍使之不過於損失力量，為真正進行獨立自主的山地遊擊戰，為廣泛發動群眾，組織義勇軍，創造遊擊根據地，支持華北遊擊戰爭，並為擴大紅軍本身起見，擬變更原定部署，采取如下之戰略部署：我二方麵軍應集結於太原以北之忻縣待命，準備在取得閻之同意後，轉至晉西北管涔山脈地區活動；我四方麵軍在外交問題解決後，或在適當時機，進至呂梁山脈活動；我一方麵軍則以自覺的被動姿勢，現時進入恒山山脈南段活動，如敵南進，而友軍又未能將其擊退，則準備依情況逐漸南移，展開於晉東南之太行太嶽兩山脈中；總部進至太原附近，依情況決定適當位置。”