中国共产党在事变第二天便表明抗战态度，积极呼吁“全民族实行抗战”。7月17日，蒋介石发表庐山讲话，宣布对日作战。
但面对装备精良、筹划已久的日军，中国军队在战场上节节败退。尤其是随着北平、天津沦陷，部分战士缺乏信心，害怕日军。
民族生死存亡之际，中国急需一场大胜来重振士气。
1937年9月中下旬，沿平绥铁路推进的日军进入山西北部，占领天镇、广灵、大同。阎锡山指挥的晋绥军纷纷向雁门关方向撤退。驻扎山西五台的八路军总部指示第120师从西面驰援雁门关，第115师从东面配合友军作战，对从灵丘增援平型关之敌实施攻击。
9月22日，日军第5师团一部首先从灵丘向平型关方向进犯，23日、24日在平型关正面及团城口与中国守军发生激战。24日，八路军第115师主力冒雨由冉庄向平型关东北前进然后设伏。
9月25日，日军第5师团第21旅团一部进入八路军的伏击区。八路军突然发起猛烈攻击，并充分发挥近战和山地战的特长，对陷入混乱的日军实行分割、包围。
八路军的这次伏击，虽然打了日军一个措手不及，但日军也凭借精良的武器装备，进行了反击抵抗。战斗打得十分惨烈。
在争夺老爷庙高地时，686团副团长杨勇带领战士们向四五百名日军猛烈进攻，日军拼命反击，140余人的3营9连官兵大部分牺牲，副团长杨勇负伤。
最激烈的白刃格斗在二营、三营阵地上展开。2营5连连长曾贤生带领20名大刀队员冲入敌群，与敌人展开白刃格斗。在筋疲力尽之时，他毅然拉响手榴弹，与敌人同归于尽……
最终，八路军取得平型关战斗的胜利，共计消灭1000余名日军，缴获一大批辎重和武器。
得知大捷的消息后，毛泽东致电朱德、彭德怀：“庆祝我军的第一个胜利”，“平型关的意义正是一场最好的政治动员”。同日，蒋介石致电朱德、彭德怀：“25日一战，歼寇如麻，足证官兵用命，深堪嘉慰。尚希益励所部，继续努力，是所至盼。”
平型关大捷，是华北战场上中国军队主动寻歼敌人的第一个大胜仗，有力地配合了正面战场的防御作战。它打破了日军不可战胜的神话，也让全世界看到了中国军队抵抗的决心，同时更振奋了全国人民抗战的信心，提高了共产党和八路军的威望。
