平型關的正麵，由閻錫山的晉綏軍防守，而側翼則是八路軍一一五師。毛澤東在9月17日給朱德的電報中，便作出判斷：日軍“向靈丘、平型關進攻，係向晉綏軍右翼迂回”。
八路軍一一五師師長，乃毛澤東手下虎將林彪。林彪籌劃著在平型關打一大仗。
毛澤東在9月21日致彭德懷的電報中，這樣寫及：“林彪同誌來電完全同意我17日的判斷和部署，他隻想以陳光旅集中相機給敵人以打擊，暫時不分散。這種一個旅的暫時集中，當然是可以的……”
得到毛澤東的同意，林彪於24日調集三個團的兵力，冒雨埋伏在平型關東北公路兩側的山地。林彪知道那是日軍進攻平型關的必經之地，故利用有利地形布好了“口袋”——這類戰術，毛澤東當年在江西對付蔣介石軍隊時，多次嫻熟地使用過。日軍沒有領教過毛澤東“口袋”的滋味，這一回算是嚐到了。
23日，林彪在上寨召開了全師幹部會議。林彪在會上作了戰鬥動員：“在華北前線，自平津保及南口等地失守後，恐日情緒正在迅速蔓延。為了振奮全體軍民的抗戰信心，必須發揮我軍的特長，以有力的戰術手段，出奇製勝，打出軍威！”
在25日淩晨，日軍板垣師團第二十一旅團在向平型關進軍時，進入了“口袋”。
筆者查到參加戰鬥的八路軍團長楊得誌、副團長陳正湘當時所寫的《平型關戰鬥詳報》，這一原始文獻，十分真實地描述了平型關戰鬥的經過：“我軍參加作戰部隊……均歸林師長指揮。”“平型關戰鬥的前一天，旅團首長親到關溝以西北高地直接詳細偵察，已確知敵約一個旅團的兵力（兩千餘人）沿東跑池老爺廟馬路一帶溝內向平型關之鞋襪口推進，先頭部隊已於24日前進東西跑池地區（但未進到鞋襪口）。”戰鬥的這一天是9月25日，在拂曉前曾下很大的雨，以後才逐漸晴朗。在接敵中動作迅速、隱蔽秘密很好，未受遠火器的殺傷。在進攻中的猛打猛衝的動作是繼續了過去的傳統精神……
楊得誌等的報告，還寫及：“該敵驕傲自大，根本沒有土工作業，對警戒更為疏忽。”
正因為這樣，日軍進入“口袋”，突遭伏擊，傷亡是慘重的。但日軍“能各自為戰，最後一個人也能進行戰鬥”，而且“由於語言不通”，“死不投降”。經過一天激戰，殲滅日軍一千多人，繳獲大量武器，是八路軍第一次大捷。