大同守军在13日弃城，日军不战而占大同。随后，日军攻占了大同北面的丰镇和绥东重镇平地泉，继续向西进攻，同一天占领绥远省会归绥，16日又占领包头。平绥线作战到此结束。
聂帅：这次必须打好，打出威风来！（1）
聂荣臻说：“这次必须打好，打出八路军的威风来！”
广灵和灵丘的失守，凸显出平型关的重要。中国军队撤退到平型关一线，扼守日军从灵丘进攻雁门关侧背的必经之路。9月22日，板垣师团先头部队到达平型关，与中国军队展开激战。第二天，板垣的主力赶到，向公路两侧高地进攻。高地上的中国守军只有两个连，经过一夜苦战，全部牺牲。
24日，傅作义率领两个旅赶到平型关，与日军激战一整天，伤亡惨重，丢失了几个高地。第二天拂晓，傅作义组织反击，恰遇日军发动进攻，反击部队无法前进，反被日军击退，团城口、鹞子涧等险要阵地被日军占领。激战到中午，陈长捷师赶到，中国军队趁势再次反击，夺回鹞子涧等高地。
这段时间，林彪率八路军第一一五师先头部队第三四三旅进抵大营镇，迅速派出侦察分队，查明平型关地区的情况。
平型关，是恒山和太行山交接处形成的门户。两山夹谷，纵贯一条通道，就是蔚县至代县的公路。它从灵丘城伸出，沿唐河河谷西行二十公里，经东河南镇，在蔡家峪村脱开河谷，转向西南平型关山区；再前行两公里，从小寨村入狭沟，到老爷庙出口，全长四公里，沟深十到三十米，宽十到二十米。从灵丘到平型关这三十公里的路段，分为三种地形：灵丘城至蔡家峪村的二十公里是河谷川道；从蔡家峪村开始，有两公里路段的地形变得复杂，尤其是小寨至老爷庙的四公里路段非常险要；老爷庙至平型关的四公里路段，地形又变得开阔。显然，小寨至老爷庙的四公里，非常适合打伏击。这一带地形狭长，进入的部队和火器都无法展开，攻守两难，如同钻进风箱里的老鼠。
林彪一眼就看中了这个地方。随后，他又带人来察看这一段地形，发现关沟至东河南镇十三公里的地段，沟深路窄，地形非常险要，两侧高地便于隐蔽兵力、发扬火力和展开突击，是打伏击的理想战场。
种种情报向林彪表明：日军骄横狂妄，疏于戒备，利用平型关东北的有利地形设伏，出其不意，歼灭从灵丘向平型关进犯的日军，配合友军作战，是完全可行的。他命令陈光的第三四三旅从大营镇前进到平型关东南的上寨地区隐蔽集结，进行战前准备；同时命令正在沿同蒲路北上的第三四四旅迅速向平型关地区靠拢。
22日，板垣师团三浦敏事的步兵第二十一旅团一部，从灵丘向平型关进犯，占领了东泡池地区。第二天，八路军总部命令第一一五师向平型关和灵丘之间机动，侧击这股日军。
同一天，聂荣臻带领徐海东的第三四四旅赶到上寨。他对林彪说，部队都上来了，要林彪谈一谈敌情和备战情况。林彪告诉他：日军的大队人马正向平型关方向运动，这里地形不错，可以打一仗。随后，林彪摊开地图，和几位参谋一起，把平型关周围的地形和初步的作战设想做了介绍，征询聂荣臻的看法。聂荣臻同意在这里打一仗。他说：“在这里居高临下，伏击敌人，是很便宜的事。全国人民都看着我们，这次必须打好，打出八路军的威风来，给全国人民的抗日情绪来一个振奋！”
这样，平型关作战的初步方案大致确定下来。但是，第一一五师来不及向上级报告，只能由前线指挥员定夺了。
第一一五师的作战方案，本来没有必要向阎锡山通报。当时八路军划归阎锡山的第二战区，但中共有言在先，八路军的行动是“独立自主”的，八路军进入山西以后的行动，用不着跟阎锡山打招呼，阎锡山有什么想法，可以直接与太原的八路军办事处联系，或者由八路军总部转达。不过，这是国共军队第一次共同抗日，出于礼貌，林彪还是派人把作战计划通报了阎锡山手下的第三十三军军长孙楚。
林彪和聂荣臻于23日在上寨召开了全师连以上干部会议，进行战斗动员。林彪讲了师部的决心，命令独立团和骑兵营在灵丘和涞源方向活动，扰乱日军后方，牵制和打击日军增援部队；命令陈光旅的两个团担任主攻，徐海东旅一个团到平型关北面断敌退路，一个团作为师的预备队。攻击部队全部在平型关东侧山地设伏，准备给日军以猛烈打击。会议结束后，师部率主力于当晚开进平型关以东的冉庄和东长城村地域。
24日，第二战区杨爱源的第六集团军给林彪送来《平型关出击计划》，拟定以第七十一师加上新编第二师及独立第八旅一部，配合第一一五师向平型关以东的日军出击。
同一天，第一一五师的主要指挥员在林彪和聂荣臻带领下，再次勘察平型关地区，确定了在平型关东北关沟至东河南镇道路两侧高地，利用居高临下便于隐蔽和突击的地形，采取一翼伏击的战术，歼灭从灵丘向平型关进犯的日军。勘察过程中，更加详细地规划了兵力部署，明确了各部队的具体任务。
他们决定，陈光旅第六八六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，然后向东泡池方向发展进攻；第六八五团占领老爷庙南面至关沟地域，阻击东泡池的日军回援，然后协同防守平型关的国民党军队，夹击东泡池日军；徐海东旅第六八七团占领西村、蔡家峪和东河南镇以南高地，断敌退路，并阻击从灵丘和浑源方向过来增援的日军；第六八八团为师预备队。
聂帅：这次必须打好，打出威风来！（2）
打伏击是林彪的拿手好戏。他在红军长征途中多次组织伏击战，当时国民党军队没少吃红一军团的苦头。聂荣臻在回忆录中对林彪的一个评价是“善于组织大部队伏击”，现在林彪要在这里伏击日军的一支精锐部队。
林彪的兵力部署，目的是拦截日军先头，切断日军退路，实施中间突击，分割歼敌。他保证了伏击日军时在兵力上拥有优势，又部署了足够的兵力阻击日军增援。为隐蔽行动企图，发挥作战突然性，第一一五师首长决定各部队当晚进入伏击阵地，命令陈光旅在0点出发，进入白崖台一线埋伏，徐海东旅随后开进。并要求各部队于第二天拂晓前完成各项作战准备。
24日夜，部队开始向作战地域运动。为了隐蔽，大多数部队都选择了最难走的羊肠小道。当晚，天空中乌云密布，越来越浓，天越来越黑，黑得像是罩了口锅。不一会儿，瓢泼大雨下了起来。战士们没有雨具，身上的灰布单军装被浇得透湿。
大雨如注，狂风不止，天黑路滑，部队行动十分困难。参战人员不仅成了“水人”，而且变成了“泥人”。山洪暴发更可怕，有些部队要越过河谷，平时河谷没有水，一旦下起大雨，很快就会浪涛奔腾。当晚雨很大，河水很快就齐胸深了。战士们奋不顾身，跳进河水，洪水太急，把一些战士卷走了。他们当中有些人，是经过二万五千里长征来到陕北的老战士，对日军作战是他们多年的宿愿，然而眼看就要面对面打日本人了，却被洪水夺去了生命。
任何军队作战，都无法避免非战斗减员。这些战士却是在战斗前几个小时死于非命，实在令人惋惜。
第一一五师也有工兵营，可以架桥。但是水势凶猛，大雨滂沱，短期内很难完成。战士们只好把枪和子弹吊在脖子上，手拉手结成一条人链，强行渡河。如果洪水不大，这个办法行得通。可是，最后出发的徐海东旅部分部队，就被大洪水拦住了。聂荣臻看到许多性急的战士被洪水冲走，就和林彪商量，建议徐海东旅已过河的一部分做预备队，没过来的就不再强渡，减少不必要的牺牲。林彪同意这个意见。
天亮前，杨得志和陈正湘率领的第六八五团与李天佑和杨勇率领的第六八六团，按计划占领了预定伏击阵地，迅速完成了伏击准备。
独立团和骑兵营已于23日分别向平型关东北和东面开进。24日，独立团在灵丘与涞源之间的腰站与日军遭遇，击毙三百多名日军，为平型关战斗开了个好头。
25日，天刚蒙蒙亮，板垣师团三浦旅团的后卫部队乘坐一百多辆汽车，携带两百多辆大车的辎重，共计约两千多人，沿灵丘至平型关的公路一字前行。
第一一五师的战士们，在伏击阵地上警惕地注视着公路。经过一夜冒雨行军，他们非常劳累，但谁也没有困意。大战之前的紧张和兴奋，弥漫在阵地上。他们先是听到了远处传来的马达声，接着就隐隐约约地看到日军汽车的影子。汽车越来越近，这才发现后面还有一大溜马车。头一辆汽车上插着一面太阳旗，坐着几十个日本兵，头戴闪光的钢盔，身着黄呢大衣，带刺刀的步枪抱在怀里。这些军人装备精良，侵华以来很少遇到有力的抵抗。他们得到的都是东京发来的贺电，上级颁发的嘉奖。他们在车上指手划脚，叽哩哇啦地交谈。在中国的土地上，他们旁若无人，不可一世。
这就是板垣征四郎的部队。板垣算得上武士道的代表人物，在日军中很有些名气。他选择平型关作为迂回路线，是因为他知道，这里是山西与河北交界的地方，是中国守军比较薄弱的环节。因此，板垣的部队在这里疏于防备。
战士们瞪大了双眼，看着进入伏击地域的日军。北上抗日，是八路军战士梦寐以求的事情，但这是他们第一次亲眼见到日本人，几乎每个人都瞪大眼睛，想把东洋的对手看个清楚。以前心里总是想：“日本人到底是什么样子呢？”这下他们看清了，原来日本人的长相与中国人差别不大，没有三头六臂，但是据说很能打仗。大敌当前，战士们上好刺刀，在枪膛里压满子弹，机枪射手们已经瞄准了目标，只等着指挥员一声令下。
７点左右，日军全部进入伏击地域。由于道路狭窄，雨后道路泥泞，日军的车辆人马拥挤不堪，行动十分缓慢。第一一五师抓住有利战机，全线突然开火，给日军以大量杀伤，并乘日军混乱发起冲击。日军最前面的汽车已被打坏着火，后边的汽车、大车和骡马挤在一起，走不动了。日军被突如其来的伏击打晕了，跳下车四处散开。他们大约做梦也没有想到，会在白天遇上这样猛烈的打击。
日军精锐三浦旅团的惊慌失措很快就过去了。这些经过长时间训练的日军官兵，本是一支战斗力很强的部队。他们从最初的懵懂中清醒过来，像一头伤口初愈的猛兽，恢复了骄横凶狠、毒辣残忍的本性，指挥官举起军刀扯破嗓子嚎叫，躲在汽车下面的士兵爬了出来，拼命往山上攀登。
执行拦头和侧击任务的是杨得志的第六八五团。这个团原是红军主力部队，下辖的三个营都有光荣战史。第一营是朱德从南昌起义带出来的；第二营是跟着毛泽东参加秋收起义上井冈山的；第三营是黄公略领导的红三军的底子。许多战士都是经过长征的老战士。第一营营长刘正、第二营营长曾国华和第三营营长梁兴初，都是红军干部，当过团一级的领导。
聂帅：这次必须打好，打出威风来！（3）
当日军进入伏击地域后，杨得志团迎头截击，首先打乱了日军队形。日军清�