大营，指挥高桂滋第17军、第73师以及第33军的独立第3、第8两个旅，在平型关南北的既设阵地阻敌。
与此同时，日军也积极部署新的作战方案，决定采用两路分进合击的“钳形”迂回战术，即以第5师团约万余兵力为主攻，以察哈尔兵团亦约万余人为助攻。主攻方向的作战任务是，首先攻占平型关，抢夺南下通路——滹沱河河谷，继而以迂回战术，直扑忻县，夺取恒山之战略中枢，图将该地区中国军队聚而歼之，然后乘胜南下直取太原。
恒山山脉处于晋、察、绥3省交界地带，横亘于晋北中部，山势雄伟，诸峰矗立，有平型关、雁门关等要隘，内长城蜿蜒其上，形成一道天然屏障。它的正面——雁门山，纵深达30公里，岗峦叠嶂，山势陡峻，易守难攻，是著名的古战场。而它的东侧却是宽10至30公里的滹沱河河谷，卧在恒山脚下。在军事地理上这条川道是恒山山脉的战役走廊。这条走廊握于我手，不但保障了恒山守军的战役机动，而且结成了连接五台山的纽带，加强了战略主动地位。反之，如果丧失了这条走廊，恒山山脉东麓（中、南段）的宽大正面则暴露无余，那么，驻守该地区的各军将陷于被禁锢的地位。由此可见，恒山既是晋北的第二道天然屏障，又是第二战区的战略支点或战略中枢地带。
正因恒山有如此之重要地位，阎锡山在长期军阀混战中依托恒山山脉，建有“永备”火力点和野战工事，构成一道比较坚固的内长城防线。在晋北一线失利的情况下，退守此防线，可以利用有利的地形和既设工事，有效地阻击日军的进攻，以确保太原及山西腹地。
9月15日，汤恩伯奉命调往第一战区，阎锡山即令第6集团军副总司令孙楚接替广灵方面作战；并令傅作义将第35军防务交由独立第7旅附新编第3团接替，该军作为预备队集结于阳明堡附近待命。同时，针对日军两路分进的战术，阎锡山又调整部署，将内长城防线分为左右两个地区：以杨爱源为右地区总司令，孙楚为副总司令，辖第33军、第17军；傅作义为左地区总司令，辖第61军、第34军、第35军、第19军；以第71师及第72师为预备军。txt电子书分享平台
一、整军抗战（20）
9月中旬末，阎锡山在岭口召开军长以上人员参加的军事会议，研讨作战方案。会上，他根据1927年参加北伐时与奉军大战于灵丘、繁峙间的战例，提出了把日军放进平型关以内进行围歼的计划。即以逐次抵抗的方式，诱敌深入到砂河以西地区，然后从恒山、五台山两方面发动钳击，并截断平型关要隘，会歼日军于滹沱河上游砂河——大营间的盆地里。阎锡山称之为“口袋阵”，要“把敌人放进口袋里，给以狠狠的打击！”其具体部署为：
平型关方面：以孙楚第33军两个旅（独立第3、第8旅）及从广灵退守的第73师，在关正面排列阻击；高桂滋第17军在关北侧的团城口一线占领阵地。其任务是先依险要地势阻击，予敌以伤杀，然后主动向南经大营、砂河移至五台山，作为南机动兵团，待机出击。总指挥为孙楚，指挥所设于大营。以上兵力计3个师又2个旅。
茹越口方面：以杨澄源第34军第101师和梁鉴堂第203旅，分守北楼口、大小石口、茹越口间的已设阵地，重点防守繁峙北的茹越口。并从太原调姜玉贞第196旅至繁峙以北地区，归入第34军序列。第2预备军置于繁峙待机。以上兵力计2个师又3个旅。
刘茂恩第15军设防于恒山外侧。
雁门关方面：以王靖国第19军（3个旅），东连第34军，扼守五斗山、马兰口、虎峪口、水岭口至阳方口间的阵地，重点防守代县与雁门关间。该军所属的陈长捷第72师和于镇河新编独立第4旅编为第1预备军，置雁门关南代县。以上兵力计1个师又4个旅。
阳方口方面：由傅作义第35军（两旅两团），配属第61军之马延守独立第7旅负责。第35军于宁武集结后，向代县东进，适时进出于繁峙以北的恒山方面，与刘茂恩军组成北机动兵团，由傅作义指挥，从繁峙北翼展开，俟敌胶着于繁峙主阵地时，围而歼之。
赵承绶骑兵第1军（两个师）在神池、朔县，担任侧翼警戒。
以上总兵力约六七万人， 欲与日军在砂河及繁峙城间进行决战。阎锡山对此计划颇为满意，自诩为：“布好口袋阵，让敌人进得来，出不去。” 因此，他信心倍增，亲自召集有关将领到岭口行营，面授机宜，并率众将领至繁峙、砂河间的主阵地带，进行周密的实地勘察，以便选定极扼要地形，构成最坚固的“口袋式”纵深阵地网。这还不放心，又派高参前往平型关、团城口、恒山各方，向孙楚、刘茂恩、高桂滋等传达指示。
正当阎锡山谋兵布阵，调兵遣将，尚未部署完毕之际，日军两路大军已气势汹汹杀将而来，一场激战由此展开。
日军继陷广灵后，于9月17日占领浑源，20日，攻占灵丘。21日，板垣即命步兵第21旅团长三浦敏事指挥第42联队第2大队（缺2个中队）、第11联队第1大队、第21联队第3大队，附1个野炮兵大队，约4个大队的兵力，沿灵丘——大营镇大道，直扑平型关；又命令步兵第21联队长粟饭原秀率该队（缺第3大队）从浑源出发，企图攻击平型关右侧后。
平型关，位于灵丘县西南，为内长城南端重要关隘，两山夹谷中纵贯一条大道——蔚代公路，公路两侧地形复杂，峰峦叠起，陡峭险峻，地势极为险要，又是控制冀、察入晋之交通要道，也是日军由灵丘进攻雁门关侧背的必经之路。
为阻止日军，迄9月21日，第73师奉命占领平型关南之马跑泉经平型关至东跑池南侧之线；第17军占领东跑池经团城口至西河口西北高地之线；第15军占领大坪村经凌云口至北楼口之线阵地；新编第11团在蔡家峪南北高地之线担任警戒；独立第3旅在神堂堡、马跑泉以南地区占领阵地；原在平型关、团城口、西河口、牛心堡之线构筑工事的独立第8旅，俟第17军占领阵地后，集结于大营附近。 。。
一、整军抗战（21）
9月22日，日军三浦先头部队到达平型关，与担任修筑工事的独立第8旅展开激战，守军1个连伤亡过半，阵地易手数次，失而复得。次日拂晓，日军主力四五千人到达，又向平型关、团城口一带阵地，大举进攻，并以数十辆战车沿公路向平型关推进。
孙楚即令高桂滋第84师（辖第250、251旅）出击，第251旅之第502团首先迎敌。敌以飞机、大炮、机枪和坦克猛攻，冲击平型关。敌我相距仅400米左右，双方短兵相接，形势危急。团长艾捷三身先士卒，率一连步兵，阻击敌军，不幸中弹负重伤，战况更趋紧张。高桂滋急令第250旅增援，该旅两个团先后参加战斗，战斗极为激烈，双方伤亡惨重。日军不断增加，并在飞机的配合下，攻占了晋军据守的高地，全线被敌控制。
阎锡山闻讯大为震惊，提出悬赏万元夺回高地。第251旅之第501团，组织奋勇队，冒着敌人的炮火夺回高地，战局才转危为安。
与此同时，日军2000余人进攻东跑池西北高地，因第73师尚未全部到达指定位置，高地仅有独立第8旅2个连，经奋力苦战一夜，终因后援不继而全部牺牲。日军继续深入，第73师、第84师等部相继赶到，与日军交火。激战至24日午后，我方始将敌击退，收复东、西跑池及附近高地。
为了确保平型关，9月23日，阎锡山调整部署：命令傅作义率领预备军增援平型关，与杨爱源联合指挥作战；新编第2师赴西河口地区待命；第71师于当晚向大营东北地区前进；第72师即向砂河集结待命。
同时，阎锡山电告朱德：22日夜日军忽然奇袭平型关阵地，发生激烈战斗，要求八路军配合作战。朱德接电后，同彭德怀立即电令：“一一五师应即向平型关、灵丘间出动，机动侧击向平型关进攻之敌，但须控制一部于灵丘以南，保障自己之右侧”。并且回电阎锡山，报告进攻准备情况。
日军正面进攻相持不下之际，粟饭旅团于9月21日从浑源出发，次日晨到达羊投崖，向南进攻，遇到守军抵抗，战斗没有进展。23日，被迫从该地撤出，转进到棚子沟方面，企图由龙嘴村、大坪村直捣大营，断我平型关守军退路。但在龙嘴村一带遭到第15军的阻击，激战两日，仍未突破我防线。后因平型关正面战事陷于胶着，该敌乃奉命增援正面作战。
9月24日，傅作义率预备军两个旅到达平型关。日军亦增兵5000人，分别向东西跑池、高地、团城口及讲堂村各处猛攻，炮击甚烈。激战终日，终因我军伤亡过重，高地及东、西跑池再度陷于敌手。
同日，傅作义、杨爱源与八路军第115师联络参谋共同商讨，决定次日（25日）拂晓，以第71师和第115师合击团城口之敌。具体攻击计划如下：
一、正面以第71师附新编第2师为主攻部队，第84师仍固守原阵地。
二、第71师4个步兵团，按次记要领部署攻击。
（一）以1个团由团城口于高地间，沿山麓向东攻击，再向南旋迥，以蔡家峪、小寨为攻击目标。
（二）以两个团由高地至西河口之间向东攻击，并掩护团城口正面攻击部队之侧背，截断向浑源撤退之道路，以王庄堡为攻击目标。
（三）以1个团为预备队，由团城口附近前进。
三、独立第8旅以一部协同第71师之攻击，以辛庄（在东跑池东北约2公里）为攻击目标。 。。
一、整军抗战（22）
四、第115师担任敌后攻击，以东河南、蔡家峪为攻击目标。
各出击部队遂按计划准备向敌反击。9月24日夜，八路军第115师冒着倾盆大雨，设伏于平型关东北老爷庙至小寨村公路附近高地。25日晨，敌第21旅团第21联队之第3大队，携带大批辎重车辆，沿着公路西进。7时许，敌全部进入我伏击圈，八路军采用拦头断尾、中间突击、分割歼敌的战术，居高临下，突然向敌发起猛烈的攻击，与混乱的日军短兵相接，展开白刃格斗，血战至中午13时许，取得了伏击战的伟大胜利。
为了扩大战果，八路军又发扬连续作战的精神，第343旅主力向平型关正面东跑池一线之敌进击，于黄昏时，攻占了东跑池东北1900高地，将敌压缩包围于该地。但由于晋绥军未按预定计划出击，致使粟饭部约2个营向西北团城口突围逃窜，失去了消灭更多敌人的机会。
是役，第115师歼敌近1000人，击毁汽车100余辆、马车200余辆，缴获步枪1000余支、机枪20余挺、野炮1门，以及大量军用物资。我军亦伤亡1000余人。 平型关战斗，是华北战场上中国军队主动寻歼敌人而又首次取得胜利的战斗。
平型关战斗，由于八路军英勇杀敌，创造抗战首胜的光荣战绩，也为阎锡山筹划的整个平型关战役争了光。阎为此感到很欣慰。
此时，阎锡山彻底放弃了原来把敌人放进关内，进行“砂河会战”的计划，而欲与敌在平型关外决一雌雄。本来，战斗开始不久，阎锡山就听信孙楚等人的建议，对原定作战计划有所动摇，令平型关、团城口一线所部固守，相机出击。而现在阎又为八路军平型关大捷所鼓舞，加之雁北方面的敌情无多大变化，又觉得平型关外的局势大有可为。于是他一面命令郭宗汾第71师坚守涧头、迷回阵地；一面令在代县的陈长捷第61军火速驰援平型关。
但是，战事的发展，又出现了新的变化。正值傅作义指挥部队向敌反击时，敌主力又转向团城口方面猛攻。团城口位于平型关北5里处，为平型关隘前的制高点，也是晋北主阵地之要点，一旦被敌突破，则雁门关感受威胁。但是，守军高桂滋第17军竟不顾大局，在敌重压之下退出团城口阵地，致使东、西跑池以北的鹞子涧、六郎城一带险要阵地相继为日军所占领。阎锡山得悉后，非常气愤，但又无可奈何，因为守军是蒋介石派来的中央军。事后，阎同其将领回忆起此事还愤慨地说：“高桂滋放弃团城口，比刘汝明放弃张家口，更为可杀！”
团城口丢失，第71师及独立第8旅不得不占领迷回村、黄圪底窳一带，构筑阵地，先对敌进行阻击，激战至中午，将日军右翼击溃，夺回数个山头，稳住了阵脚。陈长捷又率第72师及时赶到，随即乘胜反攻，由公路两侧出击，夺回鹞子涧一带高地，将日军包围于东、西跑池之深沟内。这样就“将出击的作战变为争夺山头”之战。
同时，阎锡山鉴于杨爱源、孙楚对客军没有笼络统御能力，特命傅作义前往大营，全权指挥平型关方面作战。并且设想