戰役的兵力部署
⑴平型關正面。由第六集團軍總司令楊愛源在大營前指揮孫楚的第33軍和高桂滋的第17軍及第73師（73師是孫楚指揮的，佈防區域與17軍連接），佈防於平型關、團城口南北線上，右起五台山東北，排列獨立旅3旅、73師、獨立旅8旅於平型關正面；北面團城口內並列17軍的84師和21師各就已設陣地，掩護雁北各部撤入雁門山、恆山以內，先憑險阻擊並消耗敵人，再主動向南轉移，分從大營、沙河隱入五台山，為南機動兵，待機出擊。
⑵雁門關北側。主戰場的北側依恆山、雁門山為屏障，除置劉茂恩第15軍於恆山外，以34軍第101師和樑鑑堂旅分守北婁口、茹越口間的已設陣地。重點於繁峙北的茹越口，從太原來的姜玉貞旅到繁峙以北地區歸入34軍序列。
以王靖國19軍及方克猷旅到附屬山野炮各一團右連接34軍扼守五斗山、馬蘭口、虎峪口至雁門關、陽方口間的已設陣地，保持重點於代縣、雁門關間。姜玉貞之獨立旅先控制陽明堡，對雁門關重點策應。
⑶決戰地帶。沙河及繁峙城間地區為決戰地帶。以劉潭馥200獨立旅附山炮營置於沙河鎮東，佔廣大正面，東連孫楚兵團，北連劉茂恩軍，對從平型關方面入侵之敵人以逐次抵抗方式誘至繁峙，使之膠着於繁峙城東的主決戰陣地前。以第一、二預備軍各附一個山炮營於繁峙城的南北線上，以五台山的北台頂、繁峙城垣、恆山頂為支撐點，構成對平型關方面入侵之敵的堅強抵抗陣地。第一預備軍在南，保持重點於五台山北麓；第二預備軍在北，保持重點在繁峙城，吸引敵人使之膠着於主陣地前，以利於南北機動兵團鉗擊。
⑷機動兵團。傅作義指揮31軍、15軍為北機動兵團，從繁峙展開，孫楚指揮以17軍為主力的南機動兵團，從團城口一帶出擊，以孟憲吉旅及73師抄襲平型關，斷敵後方。
閻錫山把這個部署自詡為“口袋陣”。他特別重視口袋底陣地，親召陳長捷、郭宗汾兩軍長到嶺口行營，面授要領，並命令他們同到繁峙、沙河間周密勘察主陣地，同時派高參到平型關、團城口、恆山等處，向孫楚、劉茂恩、高桂滋等傳達指示，又把屢違節制、不肯力戰的原61軍軍長李服膺拘押起來，以肅號令。
戰役的主要過程
1、閻錫山、周恩來會商戰役計劃，國共軍隊為御外侮協同作戰
為了協調各部隊行動，第二戰區司令長官閻錫山以及副長官朱德、黃紹、衞立煌、周恩來、彭德懷等多次會商作戰計劃。周恩來、彭德懷和閻錫山在嶺口村傍山坡一個窯洞裏進行長時間會談。周恩來分析形勢，指出目前雖然敵強我弱，但只要動員全民，團結奮鬥，就可削弱敵人，壯大自己，最後打敗日軍。閻錫山要求周恩來協助制訂第二戰區作戰計劃。周恩來洞察時局，成竹在胸，只用一天時間就擬定了計劃。閻錫山驚佩不已，連歎：“寫得這樣快，這樣好，如能這樣打，中國必勝。”
1937年9月11日，日軍犯廣靈。孫楚的73師被迫退至平型關南翼，閻錫山急調孟憲吉旅搶守平型關。孟旅於19日趕至平型關，與進攻之日軍激戰兩晝夜，日軍攻勢頓挫，專攻團城口。八路軍115師於6月20日迅速越過五台山向靈丘急進，22日從平型關南翼潛出，隱伏於靈丘以南的太白山區，24日在平型關東20裏的東河南公路兩側地區部署對敵後的抄擊。115師派到大營同孫楚聯絡的高參袁曉軒把115師進入敵後的進展情況通知孫楚，希望平型關各方面友軍和八路軍的敵後抄襲適時配合，爭取平型關圍殲敵人的勝利。
2、團城口激戰失守，郭宗汾出擊被圍
閻錫山得知八路軍進展情況後，即派預備軍加強平型關北翼的出擊力量。孫楚為配合115師抄襲敵後，即令郭宗汾的預備第2軍聯繫團城口高桂滋指揮的84師出擊。23日夜，敵人曾對東西跑池高地發起猛攻，高桂滋部反攻，傷亡近兩千人，損失慘重。
高桂滋認為八路軍配合圍殲板垣師團，實際上是一種虛構的空想，同時也認為孫楚師有意犧牲他們以便晉軍獨佔風頭。於是他不顧大局，於9月24日擅自放棄團城口陣地，讓郭軍貿然出擊。
郭宗汾軍對團城口失守一事一無所知，仍以陳光鬥旅附山炮一連向六郎城進擊，擬帶動21師與挺進大、小寒水嶺的115師聯合行動，繞擊敵側後。以第2軍主力沿迷回村和東西兩跑池一線，越過高桂滋84師陣地，攻平型關敵後。
主力縱隊接近迷回村時，便向東西兩跑池村分進。25日拂曉前，郭軍通過澗頭、迷回村前進時，突然遭受來自團城口方面工事裏機炮火力猛烈襲擊，郭部大亂，還以為高桂滋部聯絡不當。受到更猛烈的打擊後，才知高部已悄然撤離。團城口、鷂子澗和東西兩跑池一帶陣地都被日軍佔領，郭軍主力被壓迫於迷回、澗頭一側。
經連續苦戰，郭軍損失三分之一左右，官兵極度疲憊。幸虧此時115師於平型關敵後的東河南以西地區伏擊敵人獲得大捷，一部挺進於大、小寒水嶺上，使得郭軍被隔於六郎城之旅可以依為掎角，相互牽制鷂子澗敵人的行動，保證了郭軍主力未被全包圍，得於迷回、澗頭間佔穩了敵人通往後方公路的側面陣地，鉗制了東西跑池之敵，使之不敢直撲大營。
3、平型關大捷
9月14日，115師先頭部隊進抵大營，派出偵察部隊調查平型關地區地理情況和敵情，為平型關殲敵做各種準備。23日，林彪、聶榮臻在上寨召集幹部會議，作出初步計劃。24日，第二集團軍、第六集團軍送來“平型關出擊計劃”，擬定71師附新編第2師及獨立8旅一部配合115師向平型關以東的日軍出擊。
24日晚，林彪在電話上同孫楚説：“萃崖（孫楚字），我師已達目的地，準備明日拂曉出擊，請你們派部隊協助，先把此股敵人殲滅。”孫楚答：“好極了，我命郭宗汾師長率4個團從平型關左翼出擊。”
林彪師長即命令部隊25日零時出發。戰士們頂着狂風暴雨，涉急湍山洪，在拂曉前到達了指定地區，把全師主力佈置在平型關到東河南鎮10餘里長的公路南側山地邊緣上。343旅之686團位於白崖台附近，左側是685團，右側是687團，口袋底是第33軍之獨立8旅，115師第344旅，687團斷敵退路並打援敵，688團作為預備隊。這一部署使得進攻平型關的敵人完全處於包圍圈伏擊之中。八路軍同時又以一部從關溝出發，主動接應郭宗汾的出擊部隊。
此時戰士們只着單軍裝，又破又爛，經半夜冒雨急行軍，被汗雨濕透。晉北9月下旬夜間氣温已很低（9月19日中秋節，平型關、恆山、雁門關一帶曾降大雪），戰士們又冷又餓，但伏於濕地、山巖上待命，士氣高昂。
25日晨5時半左右，敵第一輛汽車進入伏擊圈，聶榮臻傳令：沉住氣，無命令不許開火。等敵後板垣師團第21旅團千餘人及汽車、大車300餘輛進入伏擊圈後，115師某團5連連長曾賢生率全連首先向敵衝殺，用手榴彈炸燬敵人最後一輛汽車。敵人退路被截斷，於是拼命衝殺，反覆爭奪公路兩側制高點――老爺廟。敵人爭奪失敗，預示着被圍殲的滅頂之災，於是企圖衝破獨8旅陣地逃命。獨8旅把一線配備改為縱深配備，拼死抵抗。
激烈的戰鬥持續到27日白天，敵人終未能衝破包圍，敵板垣師團21旅遭殲滅性打擊。因為敵人死不繳械，千餘日軍全部被擊斃，我軍傷亡也很嚴重。據阮受賢回憶，115師約有900人傷亡，《抗戰以來的八路軍、新四軍》一書認為：我團營幹部五人負傷，以下近千人傷亡。第5連百名壯士，凱旋時只剩30多人，連長曾賢生壯烈犧牲。戰鬥極為殘酷，獨8旅3個團一個補充營5000多人，損失一個團。
平型關大捷，殲敵1000多人，毀敵汽車100輛，大車200輛，繳獲步槍1000多支，輕重機槍20多挺，戰馬53匹，另有其他大量戰利品。這是中國抗戰開始後取得的第一次大勝利，它粉碎了“皇軍不可戰勝”的神話，振奮了全國人心，鼓舞了全國人民的抗戰熱情。它有力地打擊了日軍的囂張氣焰，遲滯了敵人的進攻，迫使敵人進至渾源和保定的一部分兵力轉移到平型關方向，因而有力支援了平漢鐵路和同蒲鐵路友軍的作戰，使已陷入敵圍的出擊部分郭宗汾部得到支援，免於被殲之險厄。
4、團城口反攻戰
如前所述，郭宗汾部被圍後，閻錫山鑑於楊愛源、孫楚缺乏統御各軍的能力（高桂滋擅自棄守團城口，致使郭宗汾部出擊被圍），遂令傅作義進至大營，負責平型關戰役的總指揮，並調陳長捷61軍急援平型關。61軍到達後（25日），以樑春溥旅程繼賢團攻擊澗頭敵人，程團士氣高漲，一氣衝上迷回北山，敵兩次反撲，均被擊退。陳長捷軍呂瑞英旅之劉崇義團攻佔西泡池，救出困守的郭軍一部，又攻東跑池。入夜，敵我雙方對峙。
5、鷂子澗激戰
26日，日軍為阻擊陳61軍進攻，從鷂子澗和平型關正面抽兵來援（故團城口反攻戰實有利於26日115師殲日軍500餘人的戰鬥）。佔領迷回北山的程團官兵曾屢次上書請戰，為國殺敵立功。這次一舉攻下迷回北山，連挫敵人反撲之勢，不待旅部主力到來，即如脱弦之箭，一舉佔領鷂子澗。
鷂子澗，位於團城口和迷回村之間，是平型關西路屏障，向西南經迷回、澗頭、齊城可達大營、沙河一線，進入山西中北部，構成對繁峙、代縣、忻口的威脅，所以敵人必拼死爭奪此據點。26日，日軍集中優勢火力，在猛烈炮火掩護下，向程部反撲，程團長指揮士兵與敵人肉搏拼殺。由於兵力懸殊，敵人衝入村內，程團無一人後退，和敵人逐院爭奪。敵援軍不斷增加，程團彈盡援絕，全團官兵近千人，包括團長程繼賢全部壯烈犧牲。程團屢立戰功，以未滿千人與超過一個聯隊的強敵拼殺，令敵膽寒，為大部隊殲敵贏得了戰機，程團長英雄事蹟可歌可泣。
6、東跑池血戰
東跑池位於平型關偏東北，為保平型關正面要點，孫楚33軍之獨立8旅在此佈防，從9月23日到26日，敵我雙方反覆爭奪東跑池，來來回回，形成拉鋸戰。據當時的一營營長回憶：他親眼看到山坡上的敵屍累累。27日，孟憲吉旅長親到陣地督戰，看到一營血戰5晝夜，原有500多人的一營，只剩148人，遂令622團接防。
7、茹越口失守，全線撤退
我軍在部署對平型關之敵的圍殲決戰，敵東條縱隊乘平型關鏖戰之機，於9月28日一舉突破恆山、雁門關的接合部茹越口，楊澄源的34軍退入繁峙。為保衞平型關戰場安全，樑鑑堂旅長親率僅有的一營人衝殺，企圖奪回山口，但是兵力太少，樑旅長和大部分官兵犧牲，王靖國又急命方克猷旅長反攻茹越口，方旅長又被敵沖垮。29日，敵佔繁峙城，嚴重威脅我主戰場側後。9月30日，閻錫山召集前線將領會議，決定全線撤退。10月2日夜，全線開始撤退，平型關撤退，平型關戰役結束。
平型關之戰歷時一個月（從9月3日製定作戰計劃到10月2日全線撤退），戰場綿延數百里，我方投入兵力10多萬人，達11個軍，歷經大小戰鬥數十次。據日本軍方顯然縮小了的資料記載，日軍死傷8562人。我方傷亡尚無確切統計，但大大超過日軍則無疑。這次戰役有作戰計劃、作戰方針，有戰略目標及戰役目標。據此可斷，平型關之戰是一中等規模的戰役，忽視它作為戰役的地位和作用，既不科學，也不公正。
平型關戰役遲滯了日軍進攻，打亂了敵人侵華計劃。戰役中，國共軍隊相互配合，創造了像平型關大捷這樣光輝的戰例。國民黨軍隊出現了像程繼賢團、樑鑑堂旅（茹越口之戰）、姜玉貞旅（平遠之戰）這樣一些可歌可泣的英雄部隊，成為我華夏禦侮史上的壯麗篇章。
平型關戰役是國共合作、共創民族抗戰偉業在戰役上配合的典範。從閻錫山把指揮部設於嶺口，到與八路軍總政委周恩來、副總司令彭德懷共商作戰計劃；從高桂滋、陳長捷軍在平型關正面佈陣迎敵，到115師抓住友軍制敵之機，奇襲板垣師團第21旅團；從團城口程繼賢全團殉國予敵重創，減輕115師壓力，到115師派部隊迎接郭宗汾軍，使之免遭圍殲；從閻錫山接受周恩來建議，建立戰地動員會，到115師吸收友軍陣地戰、阻擊戰經驗，整個戰役過程中無不閃爍着民族團結精神的光輝，體現出在民族團結、共赴國難的旗幟下，相互取長補短、共謀民族大業的胸懷和氣魄，同時也為新形勢下的國共合作積累了經驗。
