面對日本侵略軍的猖狂進攻，國民黨政府確立了進行抗日的方針，這就為抗日民族統壹戰線的建立提供了有利的條件。在這種情況下，國***兩黨談判進展迅速。1937年8月22日，國民政府正式發布了改編紅軍為國民革命軍第八路軍。
9月23日，剛剛誓師抗日的八路軍115師得到情報：日軍精銳部隊板垣師團大隊人馬將向平型關進犯。平型關是長城要隘之壹，是通往山西省會太原的必經之路。師部當即作出決定，以全師主力伏擊敵軍，地點選在平型關東側的老爺廟。
115師686團團長李天佑接到命令，立即帶著他的隊伍連夜奔赴目的地。天上沒有星星，四周黑漆漆的，天又下起了大雨，部隊行進在山溝小道上，深壹腳淺壹腳地走著，但卻絲毫不敢放慢速度。
戰士們抖擻精神，加快步伐，奔向目的地。天蒙蒙亮時，部隊終於趕在日軍到達前，來到老爺廟山腳下。
老爺廟建在公路北壹座300米高的大山腰上，孤零零的，非常顯眼，是控制公路兩端的制高點。這時，平型關方向的炮聲壹陣緊似壹陣。李天佑覺得要爬上老爺廟，占領制高點恐怕已經來不及了，即下令部隊隱蔽起來，分散在公路兩側的幾塊麥田裏和樹林坡間。果然不出所料，隊伍剛埋伏下來，前邊山溝裏就傳來了汽車的馬達聲。
先過來的是敵人的汽車隊，每輛車都裝滿了軍用物資，足足有100多輛。汽車過後是200多輛馬車，接著是少數騎兵。隊伍長長的，車聲隆隆，馬蹄得得，聲勢十分浩大。因為下了半夜的雨，公路上有的地方泥漿很深，不好走，日軍前面幾十輛汽車停了下來。後面的日軍還在往前擠，人馬和車輛擠作壹起。李天佑聽到哨兵肯定敵人全進了伏擊圈的回答，他興奮地撂下話筒，命令參謀馬上向師部報告。不壹會兒，參謀就奔了回來，興奮地傳達師部關於立即攻擊的命令。
李天佑緊緊抓住話筒，大聲命令1營道：“攻擊開始，給我狠狠地打！”剎那間，公路南山搖地動起來。子彈、炮彈、手榴彈帶著戰士們滿腔仇恨飛向敵群。聰明的八路軍戰士首先用手榴彈炸毀了敵人最後壹輛汽車，使他們不能從原路逃回。敵人猝不及防，突遭襲擊，幾千人的部隊在短狹的山谷裏亂作壹團。他們只得慌忙躲在汽車後面或趴在地上負隅頑抗。此時，李天佑突然接到師部命令；沖過公路，把公路上的敵人分割開來，各個消滅。同時用壹個營的兵力搶占老爺廟，居高臨下，把敵人幹凈、徹底地消滅在溝裏。因為敵人有400多人，大塊不容易消滅。
李天佑命令3營切斷公路，向老爺廟出擊。戰士們像是突然從地裏鉆出來似的竄出坡地，躍上了公路。日本鬼子猜到了八路軍的意圖，壹面用機槍向沖上公路的戰士拼命掃射，壹面卻調撥人馬占據老爺廟制高點。
有壹小股日本鬼子搶先壹步占領了老爺廟。子彈從上面橫掃下來，公路上的敵人又不斷開槍，在上下夾擊之下，3營戰士仍奮力向上沖，傷亡很大，連營長也負了傷。李天佑看到這壹切，馬上派2營上去增援。3營終於沖上制高點，占領了老爺廟。
3營戰士依托老爺廟的有利地形，居高臨下，將復仇的子彈傾瀉下去，打得溝裏的日軍四處逃竄。有個日本軍官看到老爺廟地勢險要，就組織日軍開始進攻，妄圖奪回制高點。可是，他們的騎兵用不上，步兵穿著笨重的皮鞋也很不方便。
敵人氣喘籲籲地爬山，老爺廟上的八路軍戰士瞄準了壹個打壹個，彈無虛發，不壹會兒就有不少敵人慘叫著滾下坡去。但是敵人仍不死心，接連組織了幾次沖鋒。
八路軍戰士的傷亡也很大，而且彈藥快用完了，情勢十分危險。仗越打越激烈，已經進入了白熱化程度。下午1點多，李天佑突然發現敵人的後方出現了混亂。原來是自己人687團增援上來了。李天佑舉起小紅旗，命令部隊全部反擊。3營戰士從老爺廟沖下山去，其他營的戰士吶喊著向敵人沖去。經過兩面夾擊，敵軍絕大部分被消滅在山溝裏。686團完全控制了山溝後，又配合國民黨軍隊向日軍發起進攻，又殲滅了大批日本鬼子。這就是震驚中外的平型關大捷！
平型關伏擊戰，給這股日軍以殲滅性打擊，***殺死敵人1000多人，燒毀敵人汽車100多輛、馬車200余輛、繳獲步槍1000多支、機槍20多挺、火炮10門，戰馬50余匹，以及其他大批軍用物資。附近山村的老鄉們聽說我軍打了大勝仗，都紛紛自動出來幫助搬戰利品，擡傷員。幾千名老鄉，加上我軍隨營學校的全體人員搬了兩天，戰利品還沒有搬完。
我八路軍為此也付出極大的犧牲。115師傷亡1000多人。有壹個連有150名戰士，戰鬥結束時只剩了18名，連長負傷，3個排長都壯烈犧牲；另外有個連，傷亡人員達2/3，連長和排長都陣亡！
平型關戰役是八路軍出師抗戰的第壹個勝利，也是全國抗戰以來中國第壹個勝利的伏擊殲滅戰。這壹次勝利有力地打擊了日寇的猖狂氣焰，打破了“皇軍不可戰勝”的神話，遲滯了敵人的軍事進攻，有利地支援了國民黨軍在平型關正面戰場的作戰。