1937年，爲解救華北危局，八路軍不待改編就緒，即在總指揮朱德、副總指揮彭德懷率領下誓師出征，由陝西三原、富平經韓城地區東渡黃河，日夜兼程，挺進山西抗日前線。
八路軍並沒有辜負民衆的期望，入晉不久便取得了震驚中外的平型關大捷。
據當時在3營任排長的田世恩回憶：
當我帶領全排衝到老爺廟坡下時，見前面有一個鬼子正往老爺廟那邊跑，我就挺着刺刀拼命追。不想在我右邊，藏在鬼子屍首堆裏的一個鬼子正要向我開槍，這時突然從土坡後面跳出一位高個兒漢子，一下就抓住了那鬼子的脖子，那鬼子哇哇叫兩聲就老實了。我見老百姓也來參戰，勁頭更足了，緊爬幾步追上逃跑的那個鬼子，一刀就將他刺下了山。不過，有的鬼子的刺刀技術確實不錯，我後來遇到的一個鬼子個兒不高，動作非常熟練。來回幾個回合不但沒找到他的漏洞，反而把我的刺刀給擋彎了。正在這時，我的右肩膀被擊中。那傢伙見狀以爲有機可乘，向我撲過來，我順勢掄起槍托劈到那鬼子頭上……
我們足足拼了半個小時，鬼子頂不住了，紛紛鑽到車下，我們乘機直奔老爺廟。佔領老爺廟的一小股敵人見我們開始往上爬，就機關槍掃個不停，溝裏的鬼子也從後面涌上來。這時2營從側面衝過來，消滅了涌上來的敵人。我們沒了後顧之憂，繼續前進。我帶着兩個班的戰士冒着彈雨，匍匐前進，在離山頂不遠處向敵人投彈。敵人的機槍啞了，他們就端着刺刀衝下來。有經驗的人都清楚，這種依託陣地的反衝鋒是很厲害的，但我們的人多，三五個戰士對付一個鬼子，一個鬼子最少也要捱上兩三刺刀。我們佔領老爺廟後，居高臨下進行攻擊，打得溝裏的鬼子無處藏身。
日軍此時方纔如夢方醒，明白了制高點的作用，急忙組織起幾百人進行軍團衝鋒。腳穿皮靴的日軍，爬山的速度極慢，在八路軍的近戰射擊下，根本形不成威脅。
激戰至下午3點，八路軍發起總攻。鬼子再也頂不住了，紛紛潰敗下去。這時槍聲稀了，喊聲也漸漸弱了，鬼子是在做最後的垂死掙扎。除一部突圍外，被包圍在溝裏公路上的日軍全部被擊斃，居然無一人被俘。
這麼大的伏擊戰沒有抓到一個俘虜，在紅軍戰史上尚無先例。可見日軍的頑抗到了何等地步，雙方搏殺的殘酷程度由此可見一斑。時任第686團組織處股長的歐陽文回憶道：
戰前我們給戰士作動員，說是要優待俘虜，我們準備要抓1000個俘虜好送到全國各地去作展覽。結果一個也沒抓到，這時的鬼子還真有點“武士道”精神，到死都不投降。我親眼看着我們團的一個副營長背起一個鬼子的傷員往後走，結果被鬼子把耳朵給咬下來了，氣得旁邊的一個排長一刀把那個鬼子的腦袋給砍下來了。
此役，第115師發揮了善於近戰和山地戰的特長，保證了戰鬥的突然性，以劣勢裝備一舉擊斃日軍精銳板垣師團第21旅團千餘人，擊毀汽車百餘輛、馬車200輛，繳獲九二式步兵炮1門、輕重機槍20多挺、步槍1000餘支、軍馬50多匹，以及其他大批軍用物資。
一位參加過平型關戰鬥的八路軍戰士回憶道：
長長的山溝裏，到處都是被打翻擊毀鬼子的汽車和大車，燒着了的還在冒煙，汽車上面和車輪下面都是鬼子屍體，有的還掛在汽車擋板上，從姿勢看，顯然是沒來得及下車就被擊斃了;半山坡上鬼子的騎兵，連人帶馬屍橫遍地。死屍中間，有的是被我們戰士用刺刀戳死的。橫七豎八，倚躺仰臥，各式各樣的醜態都有。公路上的汽車和大車還滿載着彈藥、裝具、被服、糧食、餅乾、香菸……遍地都扔着槍支彈藥，鬼子兵的黃呢軍服、大頭鞋子、牛皮揹包、水壺和飯盒……不可盡數，那大大小小的太陽旗，布的、綢的、寫滿字的、畫了符號的，都像垃圾一樣扔在地上;那一份份作戰計劃、命令、情報等機密文件如同給日軍送葬的紙錢飄飛起落。附近山溝裏的老百姓聽說八路軍把鬼子打敗了，都歡天喜地地跑來幫助部隊收攏和搬運戰利品，運不走的汽車也點上把火燒了。
