面对日本侵略军的猖狂进攻，国民党政府确立了进行抗日的方针，这就为抗日民族统一战线的建立提供了有利的条件。在这种情况下，国共两党谈判进展迅速。1937年8月22日，国民政府正式发布了改编红军为国民革命军第八路军。
9月23日，刚刚誓师抗日的八路军115师得到情报：日军精锐部队板垣师团大队人马将向平型关进犯。平型关是长城要隘之一，是通往山西省会太原的必经之路。师部当即作出决定，以全师主力伏击敌军，地点选在平型关东侧的老爷庙。
115师686团团长李天佑接到命令，立即带着他的队伍连夜奔赴目的地。天上没有星星，四周黑漆漆的，天又下起了大雨，部队行进在山沟小道上，深一脚浅一脚地走着，但却丝毫不敢放慢速度。
战士们抖擞精神，加快步伐，奔向目的地。天蒙蒙亮时，部队终于赶在日军到达前，来到老爷庙山脚下。
老爷庙建在公路北一座300米高的大山腰上，孤零零的，非常显眼，是控制公路两端的制高点。这时，平型关方向的炮声一阵紧似一阵。李天佑觉得要爬上老爷庙，占领制高点恐怕已经来不及了，即下令部队隐蔽起来，分散在公路两侧的几块麦田里和树林坡间。果然不出所料，队伍刚埋伏下来，前边山沟里就传来了汽车的马达声。
先过来的是敌人的汽车队，每辆车都装满了军用物资，足足有100多辆。汽车过后是200多辆马车，接着是少数骑兵。队伍长长的，车声隆隆，马蹄得得，声势十分浩大。因为下了半夜的雨，公路上有的地方泥浆很深，不好走，日军前面几十辆汽车停了下来。后面的日军还在往前挤，人马和车辆挤作一起。李天佑听到哨兵肯定敌人全进了伏击圈的回答，他兴奋地撂下话筒，命令参谋马上向师部报告。不一会儿，参谋就奔了回来，兴奋地传达师部关于立即攻击的命令。
李天佑紧紧抓住话筒，大声命令1营道：“攻击开始，给我狠狠地打！”刹那间，公路南山摇地动起来。子弹、炮弹、手榴弹带着战士们满腔仇恨飞向敌群。聪明的八路军战士首先用手榴弹炸毁了敌人最后一辆汽车，使他们不能从原路逃回。敌人猝不及防，突遭袭击，几千人的部队在短狭的山谷里乱作一团。他们只得慌忙躲在汽车后面或趴在地上负隅顽抗。此时，李天佑突然接到师部命令；冲过公路，把公路上的敌人分割开来，各个消灭。同时用一个营的兵力抢占老爷庙，居高临下，把敌人干净、彻底地消灭在沟里。因为敌人有400多人，大块不容易消灭。
李天佑命令3营切断公路，向老爷庙出击。战士们像是突然从地里钻出来似的窜出坡地，跃上了公路。日本鬼子猜到了八路军的意图，一面用机枪向冲上公路的战士拼命扫射，一面却调拨人马占据老爷庙制高点。
有一小股日本鬼子抢先一步占领了老爷庙。子弹从上面横扫下来，公路上的敌人又不断开枪，在上下夹击之下，3营战士仍奋力向上冲，伤亡很大，连营长也负了伤。李天佑看到这一切，马上派2营上去增援。3营终于冲上制高点，占领了老爷庙。
3营战士依托老爷庙的有利地形，居高临下，将复仇的子弹倾泻下去，打得沟里的日军四处逃窜。有个日本军官看到老爷庙地势险要，就组织日军开始进攻，妄图夺回制高点。可是，他们的骑兵用不上，步兵穿着笨重的皮鞋也很不方便。
敌人气喘吁吁地爬山，老爷庙上的八路军战士瞄准了一个打一个，弹无虚发，不一会儿就有不少敌人惨叫着滚下坡去。但是敌人仍不死心，接连组织了几次冲锋。
八路军战士的伤亡也很大，而且弹药快用完了，情势十分危险。仗越打越激烈，已经进入了白热化程度。下午1点多，李天佑突然发现敌人的后方出现了混乱。原来是自己人687团增援上来了。李天佑举起小红旗，命令部队全部反击。3营战士从老爷庙冲下山去，其他营的战士呐喊着向敌人冲去。经过两面夹击，敌军绝大部分被消灭在山沟里。686团完全控制了山沟后，又配合国民党军队向日军发起进攻，又歼灭了大批日本鬼子。这就是震惊中外的平型关大捷！
平型关伏击战，给这股日军以歼灭性打击，共杀死敌人1000多人，烧毁敌人汽车100多辆、马车200余辆、缴获步枪1000多支、机枪20多挺、火炮10门，战马50余匹，以及其他大批军用物资。附近山村的老乡们听说我军打了大胜仗，都纷纷自动出来帮助搬战利品，抬伤员。几千名老乡，加上我军随营学校的全体人员搬了两天，战利品还没有搬完。
我八路军为此也付出极大的牺牲。115师伤亡1000多人。有一个连有150名战士，战斗结束时只剩了18名，连长负伤，3个排长都壮烈牺牲；另外有个连，伤亡人员达2/3，连长和排长都阵亡！
平型关战役是八路军出师抗战的第一个胜利，也是全国抗战以来中国第一个胜利的伏击歼灭战。这一次胜利有力地打击了日寇的猖狂气焰，打破了“皇军不可战胜”的神话，迟滞了敌人的军事进攻，有利地支援了国民党军在平型关正面战场的作战。