1937年，为解救华北危局，八路军不待改编就绪，即在总指挥朱德、副总指挥彭德怀率领下誓师出征，由陕西三原、富平经韩城地区东渡黄河，日夜兼程，挺进山西抗日前线。八路军并没有辜负民众的期望，入晋不久便取得了震惊中外的平型关大捷。据当时在3营任排长的田世恩回忆：
当我带领全排冲到老爷庙坡下时，见前面有一个鬼子正往老爷庙那边跑，我就挺着刺刀拼命追。不想在我右边，藏在鬼子尸首堆里的一个鬼子正要向我开枪，这时突然从土坡后面跳出一位高个儿汉子，一下就抓住了那鬼子的脖子，那鬼子哇哇叫两声就老实了。我见老百姓也来参战，劲头更足了，紧爬几步追上逃跑的那个鬼子，一刀就将他刺下了山。不过，有的鬼子的刺刀技术确实不错，我后来遇到的一个鬼子个儿不高，动作非常熟练。来回几个回合不但没找到他的漏洞，反而把我的刺刀给挡弯了。正在这时，我的右肩膀被击中。那家伙见状以为有机可乘，向我扑过来，我顺势抡起枪托劈到那鬼子头上……
我们足足拼了半个小时，鬼子顶不住了，纷纷钻到车下，我们乘机直奔老爷庙。占领老爷庙的一小股敌人见我们开始往上爬，就机关枪扫个不停，沟里的鬼子也从后面涌上来。这时2营从侧面冲过来，消灭了涌上来的敌人。我们没了后顾之忧，继续前进。我带着两个班的战士冒着弹雨，匍匐前进，在离山顶不远处向敌人投弹。敌人的机枪哑了，他们就端着刺刀冲下来。有经验的人都清楚，这种依托阵地的反冲锋是很厉害的，但我们的人多，三五个战士对付一个鬼子，一个鬼子最少也要挨上两三刺刀。我们占领老爷庙后，居高临下进行攻击，打得沟里的鬼子无处藏身。
日军此时方才如梦方醒，明白了制高点的作用，急忙组织起几百人进行军团冲锋。脚穿皮靴的日军，爬山的速度极慢，在八路军的近战射击下，根本形不成威胁。
激战至下午3点，八路军发起总攻。鬼子再也顶不住了，纷纷溃败下去。这时枪声稀了，喊声也渐渐弱了，鬼子是在做最后的垂死挣扎。除一部突围外，被包围在沟里公路上的日军全部被击毙，居然无一人被俘。
这么大的伏击战没有抓到一个俘虏，在红军战史上尚无先例。可见日军的顽抗到了何等地步，双方搏杀的残酷程度由此可见一斑。时任第686团组织处股长的欧阳文回忆道：
战前我们给战士作动员，说是要优待俘虏，我们准备要抓1000个俘虏好送到全国各地去作展览。结果一个也没抓到，这时的鬼子还真有点“武士道”精神，到死都不投降。我亲眼看着我们团的一个副营长背起一个鬼子的伤员往后走，结果被鬼子把耳朵给咬下来了，气得旁边的一个排长一刀把那个鬼子的脑袋给砍下来了。
此役，第115师发挥了善于近战和山地战的特长，保证了战斗的突然性，以劣势装备一举击毙日军精锐板垣师团第21旅团千余人，击毁汽车百余辆、马车200辆，缴获九二式步兵炮1门、轻重机枪20多挺、步枪1000余支、军马50多匹，以及其他大批军用物资。一位参加过平型关战斗的八路军战士回忆道：
长长的山沟里，到处都是被打翻击毁鬼子的汽车和大车，烧着了的还在冒烟，汽车上面和车轮下面都是鬼子尸体，有的还挂在汽车挡板上，从姿势看，显然是没来得及下车就被击毙了；半山坡上鬼子的骑兵，连人带马尸横遍地。死尸中间，有的是被我们战士用刺刀戳死的。横七竖八，倚躺仰卧，各式各样的丑态都有。公路上的汽车和大车还满载着弹药、装具、被服、粮食、饼干、香烟……遍地都扔着枪支弹药，鬼子兵的黄呢军服、大头鞋子、牛皮背包、水壶和饭盒……不可尽数，那大大小小的太阳旗，布的、绸的、写满字的、画了符号的，都像垃圾一样扔在地上；那一份份作战计划、命令、情报等机密文件如同给日军送葬的纸钱飘飞起落。附近山沟里的老百姓听说八路军把鬼子打败了，都欢天喜地地跑来帮助部队收拢和搬运战利品，运不走的汽车也点上把火烧了。