日军被「砍」成三段，最前面是百余辆装满日军的汽车，后面是200多辆满载辎重的骡马大车。

9月25日早晨7点多，山谷中响起马达声，日军进入山谷。一一五师的六八五团打响了第一枪，接着炒豆般的枪声响成一片，机关枪、迫击炮、手榴弹砸下去，好几辆汽车中弹起火。日军清醒过来后，趴在车下还击。

八路军的武器差，射程短，只能靠一直吹冲锋号壮大声势。战士们挥起大刀，和日军搏斗。日军单兵作战的顽强大大超出估计，许多身经百战的老战士也是第一次经历这幺激烈的战斗。

打得最艰苦的是六八六团，副团长杨勇主动要求带第三营争夺老爷庙。冲上公路后，三营和鬼子拚刺刀，伤亡很大，九连官兵全部战殁，杨勇和三营营长也负了伤。在与日军白刃格斗时，来了两架日军飞机，一看双方绞在一起，没法扔炸弹，转了两圈就飞走了。

一一五师要想吃掉4000多日军不太可能，而且据说，国军没有在预定阵地参加截击日军的战斗。到了下午，平型关的日军逃走了。

战事结束后，统计的数字是:日军伤亡1000余人，汽车被毁100余辆，马车被毁200余辆；一一五师伤亡500余人。

据当时的一一五师代参谋长孙毅回忆:「平型关大捷的那天夜里，我和林彪、聂荣臻住在距平型关几里路的小山村里。我们睡在一个土炕上，一向寡言的林彪和聂荣臻竟聊到天亮。」

平型关战斗是八路军开赴抗日前线后的首次告捷，蒋介石连发两封嘉奖电。阎锡山的部队抬着猪羊、带着文艺团体来慰问，还拍了纪录电影。老百姓更是高兴，敲锣打鼓，闹了数日。