平型关战役非常惨烈，115师的干部回忆说，十年内战都没有见过如此强劲的敌人。
1937年7月7日，卢沟桥事变爆发，日军开始全面侵华战争。占领平津后，日军采用速战速决的策略，沿着津浦铁路、平汉铁路和平绥铁路分三路进攻。面对日军的进攻，国民党军队毫无斗志，不断向南溃退，而八路军则迎着敌军，斗志昂扬地向北挺进。
1937年9月，日军头目板垣征四郎得知国民党军第二战区在平型关一带正集结部队后，命令第五师团第21旅团长三浦敏事率第42大队的第二大队、野炮兵一个大队，以及在灵丘的两个大队，向西攻占平型关以西的大营镇，并消灭该地守军，控制通向太原的要道。同时，板垣征四郎还下令在浑源的两个步兵大队配合三浦敏事的行动。
平型关坐落在山西东北部的古长城上，自古就是连接山西和河北两省的关键通道。但这里山高谷深，地形十分复杂。通往平型关的唯一公路，两旁是深深的峡谷。特别是从平型关到东河南镇这十多里的路段，道路狭窄，沟壑深邃，汽车只能单行通过。
1936年，也就是全面抗日战争爆发的前一年，板垣征四郎以阎锡山在日本炮兵学校的师兄身份，前往太原探望阎锡山。他没有选择飞机或火车，而是选择了一条特别的路线，从平型关经过滹沱河谷，再到忻口，步行了整整一个月才到达太原。
1937年，板垣征四郎带领第五师团侵犯山西时，选择了一条几乎像S形的路线：他从北京西出，到达张家口，然后从张家口南下至涞源，突然从平型关的左侧绕过去。这条路线是他去年亲自考察过的。板垣征四郎知道这里是山西和河北的交界处，也是一个相对较弱的环节，但他没想到的是，八路军115师会提前渡过黄河，在这里伏击他。
八路军115师是从红一军团和红十五军团变化来的。红一军团的主要部队变成了115师的343旅，其中红2师变成了685团，红4师变成了686团。红十五军团主要变成了115师的344旅，红73师变成了687团，红75师变成了688团，红78师则拆分成两个营加入到了这两个团。另外，红一军团的红1师单独变成了115师的独立团，中央军委的骑兵第2团变成了115师的骑兵营。骑兵营直接归师部指挥，此外，115师直接指挥的还有由红十五军团的红74师变化来的辎重营和炮兵营，师部教导队则是由剩余的部队组成的。
115师在组建时，有15000名士兵，都是经验丰富的老兵。无论是兵力、武器装备还是战斗力，115师都是三个师中最强的，甚至被誉为八路军的第一师。后来，日军也评价过这支部队：“面对的敌人几乎都是20岁以下的年轻人，作战勇敢，远远超过之前遇到的敌人。”
115师过了黄河之后，一直希望能打一场仗。最终，林彪决定在平型关设伏。他对这次战斗非常重视，在战斗前曾三次亲自前往平型关勘查地形。警卫员半夜醒来时，发现林彪还在仔细研究地图，眉头紧锁。
林彪最后制定了战斗计划。杨得志的686团埋伏在老爷庙附近，守住袋底。李天佑的686团埋伏在白崖台附近，准备分割敌人。687团埋伏在小寨村附近，等敌人全部进入埋伏圈后堵住日军的退路。688团作为师预备队，杨成武的独立团则阻击从灵丘和来源增援的日军。
1937年9月24日晚，八路军第115师的上万官兵向埋伏地点前进。那时，晋北地区的天气已经转凉，并且下起了大雨。然而，八路军的指战员们除了少数师级干部外，都没有御寒的棉衣和雨具，只能冒雨前行。大雨和寒冷并没有阻挡八路军指战员前进的步伐，他们克服了严寒，迅速向阵地跑去。
部队在经过一段蜿蜒的山路后，进入了山谷。这时，天空突然乌云密布，大雨如注，山洪爆发，挡住了他们的去路。走在最前面的686团算是幸运的，全员顺利通过。686团走了一半时，剩下的部队和师部挤在一起，场面一度混乱，许多战士和装备被山洪冲走。但团长李天佑和副团长杨勇迅速稳住了局势。
最后水流越来越湍急，只有343旅的两个团成功过河，344旅只有一个团过河，另一个团被山洪挡在了对岸。林彪无奈，只好把344旅的一个团作为后备力量，等洪水退了再过来。9月25日凌晨，115师只有三个团抵达了战场。
没过多久，日军第五师团的第21旅团第21联队，带着一百多辆汽车，率先向埋伏地点驶来。他们后面跟着的是第21旅团的辎重部队，有200多辆骡马大车，车上装满了御寒冬装、行李和弹药，浩浩荡荡地驶入狭窄的沟里。最后面跟着的是一个由50人组成的骑兵队。
板垣征四郎指挥的第五师团被誉为日军中的精英部队，两个月来在中国境内横扫千里，未曾遇到过强劲对手，所有的士兵都骄傲自满，对中国军队不屑一顾，完全没有预料到中国军队会主动出击，设下埋伏。因此，他们轻易地走进了林彪为他们设下的“陷阱”。林彪发现日军进入包围圈后，立刻派一名参谋跑步通知附近的国民党军队，让他们一边阻击日军，一边派遣部队前来增援。
当日军完全进入埋伏区时，林彪立刻发出攻击命令。三枚信号弹冲向天空，伴随着激昂的冲锋号声，机枪、手榴弹和迫击炮齐发。日军毫无防备，被打得措手不及，许多士兵急忙从车上跳下来，躲到车底寻求庇护。
八路军的战士们在子弹和手榴弹用尽之后，马上发起了冲锋。其中，685团5连的连长曾贤生带领队伍冲在最前面。他和战友们一起，连续炸毁了好几辆敌军的汽车。曾贤生身材高大，还练过武艺，因此很快就砍倒了好几个敌人。
日军第五师团的战斗力非常强，在激烈的白刃战中，5连连长曾贤生被砍了几刀，倒在了血泊里。685团成功挡住了日军的退路。日军行动迅速，很快就盯上了制高点老爷庙。林彪也看中了这个地方，立刻命令686团三营去抢占老爷庙。三营付出了巨大代价，终于占领了老爷庙。不过，在三营爬上老爷庙的时候，686团副团长杨勇被敌人流弹击中负伤，三营营长也受了伤。
日军的飞机也赶到，轰炸了老爷庙里的八路军。五六百日军赶到，纷纷涌向老爷庙，发动了一轮又一轮的进攻。双方在制高点上反复拼杀，用刺刀、枪托、石头、树枝轮番攻击。最后，林彪把预备队投入战场，才把缺口堵上。战斗一直打到下午一点，日军主力基本被消灭。
战斗一打响，115师决定抓几名日军俘虏，以便进行宣传。然而，这个决定却导致了115师不少官兵的伤亡。在清理战场的时候，一位营长背起了一名日军伤兵，准备将其送往救助站救治。不料半路上，这名日军伤兵突然醒来，一口咬掉了营长的耳朵。还有一位通讯员在整理电话线时，发现了汽车底下的日军伤兵。通讯员拿出纱布为他包扎伤口，却被日军伤兵用刺刀刺进了腹部，当场牺牲。
平型关战役中，八路军115师击毙了1000多名日军，自身伤亡了800多人，却一个俘虏也没抓到。这种情况在红军的历史上是前所未有的。当时，115师的广大官兵都被日军的凶猛和无畏给震撼了。当时担任115师教导队政治教育主任的王紫峰在当天的日记中写道：“日军这种宁死不屈的精神，是我军在十年内战中从未见过的。”
杨成武后来回忆说，抗战初期的日军经过了严格的训练，战术熟练，枪法精准。他们的军服颜色和秋天的庄稼相近，容易隐蔽，战斗力很强。再加上国民党采取的不抵抗政策，让日军在华北地区攻城略地，士气更加旺盛。日军的刺杀技巧高超，即使负伤也不投降，反而抱住我军战士咬打，这使得我们不得不一个个地将他们消灭，增加了战斗的难度和牺牲。
