１１５师上寨妙算
为了协调八路军与友军的作战行动，周恩来、朱德、彭德怀等人多次与国民党第２战区司令长官阎锡山、副司令长官黄绍竑、卫立煌会谈，对保卫山西的作战计划、部署、兵力使用和八路军的任务，以及发动与组织群众，成立战地总动员委员会等问题提出了重要建议。并强调指出：八路军只宜在敌人的侧翼和后方进行游击战，担负袭击敌后方交通线和兵站据点的任务，不宜担负正面的阵地防御任务。为了积极配合第２战区友军防守平型关至茹越口和雁门关的内长城一线，八路军总部即令１１５师进至平型关以西的大营镇待机，准备迎击进犯平型关之敌。
９月１４日，林彪率１１５师先头部队３４３旅进抵大营镇，并派出侦察分队查明平型关地区的有关情况。从平型关山口至灵丘县东河南镇，是一条由西南向东北延伸的狭窄谷道。其间，关沟至东河南镇１３公里的地段，沟深路狭。
平型关位于恒山、太行山两大山脉的交接处。两山夹谷中纵贯一条通道——蔚代（蔚县至代县）公路。公路从灵丘城伸出，沿唐河河谷西行２０公里经东河南镇，在蔡家峪村脱开河谷，转向西南平型关山区；再前行２公里，从小寨村入狭沟，至老爷庙出口，全长４公里，沟深１０至３０米，宽１０至２０米。沟左侧（西北面）是高山，势如峭壁；沟右侧（东南面）状如刀削，上沿与沟底平行。沟的出口处，左侧山势平缓，老爷庙傍山面沟，距出口处约４０米，右侧是一片不大的开阔地。行进方向２００米处是交太沟谷。此沟车辆不能通行；公路则沿西沟而上，前行１公里至辛庄攀山，再前行３公里至跑池村而达山顶，这里是平型关北侧隘口。总的来说，从灵丘到平型关的３０公里地段，分为三种地形：灵丘城至蔡家峪村（２０公里）是河谷川道；自蔡家峪村开始地形转为复杂（２公里），小寨至老爷庙（４公里）是险要地段；老爷庙至平型关（４公里）地形复转开阔。在这三种地形中，小寨至老爷庙的４公里地段非常适合于打伏击，因为这一带地形狭长，进入的部队和火器均无法展开，不能守也不能攻，如钻入风箱里的老鼠。林彪一下看中了这地方。
随后，林彪又带人察看了这一段地形。发现关沟至东河南镇１３公里的地段，沟深路窄，地形非常险要，两侧高地便于我军隐蔽部署兵力、发扬火力和展开突击，是伏击歼敌的理想战场。根据当时所掌握的情况，林彪决心抓住敌军骄横狂妄、疏于戒备的弱点，利用平型关东北的有利地形，出其不意，以伏击手段歼灭由灵丘向平型关进犯之敌，配合友军作战。为此，他令第３４３旅由大营镇前出至平型关东南的上寨地区隐蔽集结，并进行战前准备；同时命令正在沿同蒲路北上的３４４旅迅速向平型关地区靠拢。
在３４４旅还没有到达平型关之前，林彪就带人仔细地察看了平型关的地形，做到了心里有数。孙子曰：“知天知地，胜可乃全”。作为一支部队的指挥者，不能不掌握作战地区的地形情况。
２２日，日军第５师团第２１旅团一部，由灵丘向平型关进犯，并占领东跑池地区。
２３日，八路军总部命令１１５师向平型关、灵丘间机动，侧击该敌。
同日，聂荣臻带领３４４旅赶到了上寨。他告诉林彪说，部队都已经上来了，并向林彪询问当时的敌情和作战准备情况。林彪告诉他说，日军的大队人马正向平型关方向运动，这里的地形不错，可以打一仗。随后，林彪摊开地图，与几位参谋一起把平型关周围的地形情况和初步的作战设想介绍给聂荣臻，然后问聂荣臻有什么看法。因为聂荣臻刚刚到达作战地区，对详细情况也不大了解，所以没有提出什么修改意见，只是表示可以在这里打一仗。他当时认为，居高临下伏击敌人是很便宜的事情。这样，平型关作战的初步方案就大致确定下来。
当作战方案定下来以后，１１５师并没有向上级报告，因为根据当时的情况，这样的作战计划。前线指挥员有权根据情况决定。好打就打，只要事后报告一下就行了。事实上，八路军到山西以后距离中央军委已经很远，军委和总部对各部队的情况也不十分清楚。
１１５师的方案本来也没有必要向阎锡山通报，因为当时八路军虽然归阎锡山的第２战区控制，但国共双方有言在先，八路军的行动是“独立自主”，八路军进入山西后的行动用不着直接与阎锡山打招呼，如阎锡山有什么想法，可以直接与在太原八路军办事处的周恩来联系，或由八路军总部转达。可能是由于第一次国共军队在一起打仗，出于礼貌，林彪还是派人把自己的作战计划通报给阎锡山的部下、第３３军军长孙楚。
林彪和聂荣臻于２３日在上寨召开了全师连以上干部会议。进行深入的战斗动员。林彪在会上讲了１１５师的初步决心，命令师独立团和骑兵营在灵丘和涞源方向活动，扰乱敌人的后方，牵制和打击增援之敌；以３４３旅的两个团为主攻，３４４旅一个团到平型关北面断敌退路，一个团作师的预备队。攻击部队全部在平型关东侧山地设伏，准备给敌以猛烈的打击。
会议结束后，师部率主力于当日夜进至平型关以东之冉庄和东长城村地域。
２４日，国民党第２战区第６集团军给１１５师送来“平型关出击计划”，拟定以第７１师加上新编第２师及独立第８旅一部，配合１１５师向平型关以东的日军出击。
同日，１１５师的主要指挥员在师长林彪和副师长聂荣臻的带领下，对平型关地区又进行了现场勘察，并确定在平型关东北关沟至东河南镇道路两侧高地，利用居高临下便于隐蔽和突击的有利地形，采取一翼伏击的战术手段，歼灭由灵丘向平型关进犯之敌。在勘察过程中更加详细地确定了兵力部署，明确了各部队的具体任务：
第３４３旅第６８６团占领小寨村至老爷庙以东高地，实施中间突击，分割歼灭沿公路开进之敌，尔后向东跑池方向发展进攻；
第６８５团占领老爷庙南至关沟地域，并阻击东跑池之敌回援，尔后协同防守平型关的国民党军，夹击东跑池之敌；第３４４旅第６８７团占领西村、蔡家峪和东河南镇以南高地，断敌退路，并阻击由灵丘、浑源方向来援之敌；
第６８８团为师预备队。
打伏击是林彪的拿手好戏。他在红军长征途中多次组织过伏击战，当时国民党军队在这方面没少吃红一军团的苦头。
聂荣臻在其回忆录中就曾这样评价林彪：
“我平时总认为林彪不是不能打仗之人。有时他也能打。
他善于组织大部队伏击和突然袭击。”
林彪“善于组织大部队伏击”，这里的地形又适合于伏击，“地利”加上“人和”。这下林彪当然又要玩他的拿手好戏，上演“绝活”了。
当时之所以要采用这样的兵力部署，目的是要拦截敌之先头，切断敌之退路，实施中间突击，分割歼敌。这样做既可保证在伏击敌人时兵力上的优势，又保证有足够阻击援敌的兵力。为隐蔽行动企图，发挥作战的突然性，１１５师首长决定各部队当晚利用夜间天暗进入伏击阵地，命令３４３旅２４日晚２４时出发进入白崖台一线埋伏，３４４旅随后开进。并要求各部队于第二天拂晓前完成各项作战准备。
雨夜出击
２４日夜，部队开始向作战地域运动。为了隐蔽，大多数部队都选择了最难走的羊肠小道。当天夜里，天空中布满了乌云，而且越来越浓，天也就越来越黑，黑得像是罩了口锅。不一会儿，瓢泼大雨终于下了起来。战士们都没有防雨工具，身上的灰布单军装被浇得湿淋淋的。
由于大雨如注，狂风不止，加上天黑路滑，部队行动十分困难。所有参战人员的衣服都淋透了不说，几乎每个人都成了“泥人”。最糟糕的是山洪暴发，而有些部队却要越过一些河谷，在平时，这些河谷是没有水的，但一旦下起大雨来，河谷里很快就会浪涛咆哮。当天晚上的雨很大，时间不长，河水已近齐胸深。为了完成任务，有些人就奋不顾身地跳进河水里，但由于洪水太急，一些战士就被卷走了。这些战士中有些是从中央苏区经过二万五千里长征来到陕北的老战士，能够亲自同日本鬼子作战是他们多年的宿愿，可就在见到真正的日本人之前，他们却被洪水夺去了生命。
任何军队作战，非战斗减员都是不可避免的。但这些战士却是即将参加战斗前的几个小时死于非命，真是令人惋惜。
当时师里也有工兵营，按道理可以架桥。但是水势凶猛，大雨滂沱，短期内难以完成架桥任务。没有别的办法，战士们就把枪和子弹吊在脖子上，手拉着手结成一条人链渡河。这个办法在洪水相对较小的时候还可以。可是，最后出发的３４４旅的部分部队就被河水给拦住了。聂荣臻看到有许多性急的战士被洪水冲走了，就与林彪商量，并提出建议，要３４４旅过河的一部分作预备队，没有过来的就不再强渡。以减少不必要的牺牲。林彪同意了聂荣臻的意见。
天亮前，由杨得志和陈正湘率领的６８５团、李天佑和杨勇率领的６８６团，按计划占领了预定的伏击阵地，并迅速完成了伏击准备。
１１５师独立团和骑兵营，已于２３日分别向平型关东北和以东开进。２４日。独立团在灵丘与涞源之间的腰站与日军遭遇，毙敌３００余名，为平型关歼敌开了一个好头。
平型关上的硝烟
２５日，天刚蒙蒙亮，敌第５师团第２１旅团的后卫部队乘坐１００余辆汽车，携带２００多辆大车的辎重，共计约２０００多人，沿灵丘至平型关公路一字前行。
１１５师的战士们，在伏击阵地上警惕地注视着公路。经过近一夜的冒雨行军，虽然相当劳累，但谁也没有困意。大战之前，大家既紧张，又兴奋。他们先是听到了远处传来的马达声，接着就隐隐约约地看到敌人汽车的影子。汽车越来越近，这才发现汽车后面还有马车一大溜。只见头一辆汽车上插着一面“膏药旗”，坐着几十个日本兵，头戴闪光的钢盔，身着黄呢大衣，带刺刀的步枪抱在怀里。这些家伙装备精良，侵华以来还未遇到过有力的抵抗。他们所得到的都是东京给他们的贺电，上级给他们的嘉奖。他们在车上指手划脚，叽哩哇啦的不知讲些什么。在我们中华民族的国土上，他们旁若无人似的，当时只能用“不可一世”一词来形容他们。日军第５师团的师团长是坂垣征四郎。这个人早在１９２９年就在关东军任参谋。“九·一八”事变后，日本侵略军在东北组织伪“满洲国”，就是由他代表关东军同溥仪谈判的。由于组织傀儡政府有功，１９３７年卢沟桥事变爆发时，他已经升任中将师团长了。此人非常崇尚武士道精神，在日军中很有些名气。他当时之所以选择平型关作为他的迂回路线，因为他知道这里是山西和河北交界的地方，是个比较薄弱的环节。自从中国全面抗战以来，坂垣在华北遇到的都是些不战自退的国民党军队，因此他的气焰非常骄横。据聂荣臻事后推测，坂垣可能没有考虑到八路军已经到达平型关，这就加深了他的疏忽大意。其实，即使坂垣知道八路军已经到达这一地区，他也不会把八路军放在眼里。因为，在日本人的心目中，八路军充其量也只能算是一支地方武装。
战士们瞪大了双眼看着进入伏击地域的日本鬼子。对于八路军战士来说，“北上抗日”是他们梦寐以求的事情，但这时却是他们第一次见到真正的日本人，几乎每个人都瞪大眼睛，想把日本人看个清楚。以前在心里总是想：“日本人到底是什么样子呢？”这下他们看清了，原来日本人与中国人没有什么区别，没有三头六臂，只是他们穿得比我们好一点，装备比我们精一些。那么国民党兵为什么要那样怕他们呢，我们的战士们倒是有些奇怪了。本来，我们的战士还可以多想一些，但现在是大敌当前，更多的是临战时的兴奋和紧张。这时每一颗心脏的跳动都非常有力，仿佛已经带动整个伏击地域一起在跳动。战士们上好刺刀，在枪膛里压满了子弹，机枪射手们已经瞄准好了，只等着指挥员一声令下。
７时许，敌人全部进入１１５师的伏击地域。由于道路狭窄，雨后道路泥泞。敌人的车辆、人马拥挤不堪，行动十分缓慢。１１５师抓住有利战机，全线突然开火，给敌以大量杀伤，并乘敌混乱之际发起冲击。日军