1937年09月25日
晨，日军精锐第5师团第21旅团和大批辎重，沿灵邱至平型关的公路开进。07时许，日军大部进入第115师的伏击地区乔沟，林彪命令开火。日军被打懵了，但很快清醒过来，双方刺刀见红，往复搏杀。日军第5师团师团长板垣征4郎急令蔚县、沬源的日军增援，并派飞机掩护，组织残余士兵反扑，企图突围，均被击退。激战至13时，除从晋军阵地处逃走的日军外，1部被歼。
在国民党军队败退的战局下，林彪指挥8路军第115师1个旅又1个团（独立团担任阻敌援兵），以劣势装备一举歼灭日军精锐第21旅团2000余人，缴获炮1门，轻重机枪20余挺，掷弹筒20余具，步枪1000余支，战马53匹及大批军用物资，击毁卡车百余辆，大车约200辆，取得抗日战争以来中国军队对日本侵略军的第1个歼灭战，打破了日军不可战胜的神话，中国共产党领导的8路军军威大振，增强了全国军民抗战胜利的信心。
中午，林彪向朱德报捷，朱德立刻通报毛泽东、蒋介石和阎锡山。
毛泽东致电朱德等人并告林彪：……不管蒋、阎协助与否，目前红军不宜过早暴露，尤不宜过早派遣战术支队，……若在敌之主力尚未集中于其主要的攻击点、敌之后方尚未10分空虚之时，暴露红军目标，引起敌人注意，那是不利的。……拟使用第115师配合国民党军1部，待日军在华北相当深入后，收复灵丘、徕源、广灵、蔚县4县，然后向大同、张家口、北平线，大同、太原线，北平、石家庄线举行大规模的侧后袭击战，在灵、沫、广、蔚4县建立根据地。
毛泽东致电周恩来、刘少奇并告朱德等人：……整个华北工作，应以游击战争为惟一方向。……要设想在敌整个占领华北后，我们能坚持广泛有力的游击战争。……今后没有别的工作，惟一的就是游击战争……
朱德、彭德怀、任弼时发出关于8路军作战方针、任务及地域划分的训令：立即动员群众，组织群众，广泛地开展游击战争。