面对日本侵略军的猖狂进，国民党政府确立了抗日方针，为抗日民族统一战线的建立提供了有利条件。在这种情况下，国共两党谈判进展迅速。1937年8月22日，国民政府正式宣布改编红军为国民革命军第八路军。
9月23日，刚刚誓师抗日的八路军一一五师得到情报：日军精锐部队板垣师团大队人马将向平型关进犯。平型关是长城要隘（ài）之一，是通往山西省会太原的必经之路。师部当即作出决定，以全师主力伏击敌军，地点选在平型关东侧的老爷庙。
一一五师六八六团团长李天佑接到命令后立即率领队伍连夜奔赴目的地。天上没有星星，四周黑漆漆的，天又下起了大雨，部队行进在山沟小道上，深一脚浅一脚地走着，但却丝毫不敢放慢速度。
战士们抖擞精神，加快步伐，奔向目的地。天蒙蒙亮时，部队终于赶在日军到达前，来到老爷庙山脚下。
老爷庙建在公路北一座三百米高的大山腰上，孤零零的，非常显眼，是控制公路两端的制高点。这时，平型关方向的炮声一阵紧似一阵。李天佑觉得要爬上老爷庙，占领制高点恐怕已经来不及了，即下令部队隐蔽起来，分散在公路两侧的几块麦田里和树林坡间。果然不出所料，队伍刚埋伏下来，前边山沟里就传来了汽车的马达声。
先过来的是敌人的汽车队，每辆车都装满了军用物资，足足有一百多辆。汽车过后是二百多辆马车，接着是少数骑兵。队伍长长的，车声隆隆，马蹄得得，声势十分浩大。因为下了半夜的雨，公路上有的地方泥浆很深，不好走，日军前面几十辆汽车停了下来。后面的日军还在往前挤，人马和车辆挤作一起。李天佑听到哨兵肯定敌人全进了伏击圈的回答，兴奋地撂下话筒，命令参谋马上向师部报告。不一会儿，参谋就奔了回来，兴奋地传达师部关于立即攻击的命令。
李天佑紧紧抓住话筒，大声命令一营道：“攻击开始，给我狠狠地打！”刹那间，公路南山摇地动起来。子弹、炮弹、手榴弹带着战士们满腔仇恨飞向敌群。聪明的八路军战士首先用手榴弹炸毁了敌人最后一辆汽车，使他们不能从原路逃回。敌人猝（cù）不及防，突遭袭击，几千人的部队在短狭的山谷里乱作一团。他们只得慌忙躲在汽车后面或趴在地上负隅顽抗。此时，李天佑突然接到师部命令：冲过公路，把公路上的敌人分割开来，各个消灭。同时用一个营的兵力抢占老爷庙，居高临下，把敌人干净、彻底地消灭在沟里。因为敌人有四百多人，大块不容易消灭。
李天佑命令三营切断公路，向老爷庙出击。战士们像是突然从地里钻出来似的窜出坡地，跃上了公路。日本鬼子猜到了八路军的意图，一面用机枪向冲上公路的战士拼命扫射，一面却调拨人马占据老爷庙制高点。
有一小股日本鬼子抢先一步占领了老爷庙。子弹从上面横扫下来，公路上的敌人又不断开枪，在上下夹击之下，三营战士仍奋力向上冲，伤亡很大，连营长也负了伤。李天佑看到这一切，马上派二营上去增援。三营终于冲上制高点，占领了老爷庙。
三营战士依托老爷庙的有利地形，居高临下，将复仇的子弹倾泻下去，打得沟里的日军四处逃窜。有个日本军官看到老爷庙地势险要，就组织日军开始进攻，妄图夺回制高点。可是，他们的骑兵用不上，步兵穿着笨重的皮鞋也很不方便。
敌人气喘吁吁地爬山，老爷庙上的八路军战士瞄准了一个打一个，弹无虚发，不一会儿就有不少敌人惨叫着滚下坡去。但是敌人仍不死心，接连组织了几次冲锋。
八路军战士的伤亡也很大，而且弹药快用完了，情势十分危险。仗越打越激烈，已经进入了白热化程度。下午1点多，李天佑突然发现敌人的后方出现了混乱。原来是自己人六八七团增援上来了。李天佑举起小红旗，命令部队全部反击。三营战士从老爷庙冲下山去，其他营的战士也呐喊着向敌人冲去。经过两面夹击，敌军绝大部分被消灭在山沟里。六八六团完全控制了山沟后，又配合国民党军队向日军发起进攻，又歼灭了大批日本鬼子。这就是震惊中外的平型关大捷！
平型关伏击战，给这股日军以歼灭性打击，共杀死敌人一千多人，烧毁敌人汽车一百多辆、马车二百余辆，缴获步枪一千多支、机枪二十多挺、火炮十门，战马五十余匹以及其他大批军用物资。附近山村的老乡们听说我军打了大胜仗，都纷纷自动出来帮助搬战利品，抬伤员。几千名老乡，加上我军随营学校的全体人员整整搬了两天，仍剩余了很多没有搬完。
此次战役八路军也付出了极大的牺牲。一一五师伤亡一千多人。有一个连总共一百五十名战士，战斗结束时只剩了十八名，连长负伤，三个排长都壮烈牺牲；另外一个连，伤亡人员达三分之二，连长和排长都阵亡！
平型关战役是八路军出师抗战的第一个胜利，也是全国抗战以来中国第一个胜利的伏击歼灭战。这一次胜利有力地打击了日寇的猖狂气焰，打破了“皇军不可战胜”的神话，迟滞了敌人的军事进攻，有利地支援了国民党军在平型关正面战场的作战。
