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部隊之側背，截斷向渾源撤退之道路，以王莊堡為攻擊目標。
（三）以1個團為預備隊，由團城口附近前進。
三、獨立第8旅以一部協同第71師之攻擊，以辛莊（在東跑池東北約2公里）為攻擊目標。 。。
一、整軍抗戰（22）
四、第115師擔任敵後攻擊，以東河南、蔡家峪為攻擊目標。
各出擊部隊遂按計劃準備向敵反擊。9月24日夜，八路軍第115師冒著傾盆大雨，設伏於平型關東北老爺廟至小寨村公路附近高地。25日晨，敵第21旅團第21聯隊之第3大隊，攜帶大批輜重車輛，沿著公路西進。7時許，敵全部進入我伏擊圈，八路軍採用攔頭斷尾、中間突擊、分割殲敵的戰術，居高臨下，突然向敵發起猛烈的攻擊，與混亂的日軍短兵相接，展開白刃格鬥，血戰至中午13時許，取得了伏擊戰的偉大勝利。
為了擴大戰果，八路軍又發揚連續作戰的精神，第343旅主力向平型關正面東跑池一線之敵進擊，於黃昏時，攻佔了東跑池東北1900高地，將敵壓縮包圍於該地。但由於晉綏軍未按預定計劃出擊，致使粟飯部約2個營向西北團城口突圍逃竄，失去了消滅更多敵人的機會。
是役，第115師殲敵近1000人，擊毀汽車100餘輛、馬車200餘輛，繳獲步槍1000餘支、機槍20餘挺、野炮1門，以及大量軍用物資。我軍亦傷亡1000餘人。 平型關戰鬥，是華北戰場上中國軍隊主動尋殲敵人而又首次取得勝利的戰鬥。
平型關戰鬥，由於八路軍英勇殺敵，創造抗戰首勝的光榮戰績，也為閻錫山籌劃的整個平型關戰役爭了光。閻為此感到很欣慰。
此時，閻錫山徹底放棄了原來把敵人放進關內，進行“砂河會戰”的計劃，而欲與敵在平型關外決一雌雄。本來，戰鬥開始不久，閻錫山就聽信孫楚等人的建議，對原定作戰計劃有所動搖，令平型關、團城口一線所部固守，相機出擊。而現在閻又為八路軍平型關大捷所鼓舞，加之雁北方面的敵情無多大變化，又覺得平型關外的局勢大有可為。於是他一面命令郭宗汾第71師堅守澗頭、迷回陣地；一面令在代縣的陳長捷第61軍火速馳援平型關。
但是，戰事的發展，又出現了新的變化。正值傅作義指揮部隊向敵反擊時，敵主力又轉向團城口方面猛攻。團城口位於平型關北5裡處，為平型關隘前的制高點，也是晉北主陣地之要點，一旦被敵突破，則雁門關感受威脅。但是，守軍高桂滋第17軍竟不顧大局，在敵重壓之下退出團城口陣地，致使東、西跑池以北的鷂子澗、六郎城一帶險要陣地相繼為日軍所佔領。閻錫山得悉後，非常氣憤，但又無可奈何，因為守軍是蔣介石派來的中央軍。事後，閻同其將領回憶起此事還憤慨地說：“高桂滋放棄團城口，比劉汝明放棄張家口，更為可殺！”
團城口丟失，第71師及獨立第8旅不得不佔領迷回村、黃圪底窳一帶，構築陣地，先對敵進行阻擊，激戰至中午，將日軍右翼擊潰，奪回數個山頭，穩住了陣腳。陳長捷又率第72師及時趕到，隨即乘勝反攻，由公路兩側出擊，奪回鷂子澗一帶高地，將日軍包圍於東、西跑池之深溝內。這樣就“將出擊的作戰變為爭奪山頭”之戰。
同時，閻錫山鑑於楊愛源、孫楚對客軍沒有籠絡統御能力，特命傅作義前往大營，全權指揮平型關方面作戰。並且設想俟陳長捷部到達平型關後，仍排程高桂滋、劉茂恩兩軍，協同反攻團城口，然後，再聯合八路軍，殲滅板垣師團於平型關、東河南間。
為此，9月26日晚，閻錫山給各集團軍下達命令如下：
（一）〈庾〉關（即平型關——引者注）正面之敵，連日與我激戰，已被我擊潰。宥（26日）日，敵由渾源、靈丘增援
