日本帝国主义为实现其以武力吞并全中国的侵略计划，继侵占中国东北三省和热河，冀东之后，于1937年7月7日制造卢沟桥事变，悍然发动了全面侵华战争。中国驻军第29军第37师第110旅广大爱国官兵奋起抵抗。从此，开始了中国人民伟大的抗日民族解放战争。
日本发动全面侵华战争后，采取“速战速决”战略，从华北、上海两个战略方向对中国发动大规模进攻，企图在3个月内灭亡中国。在华北，日军占领平津地区后，迅即从国内增兵，沿平绥、平汉、津浦路发展战略进攻，企图迅速歼灭华北地区的中国军队，进而夺取察，绥、晋、冀、鲁5省，占领黄河以北广大地区，8月31日，日军撤销中国驻屯军，成立华北方面军，以寺内寿一为司令官，下辖第1军（香月清司，辖第6、第14、第20师团）、第2军（西尾寿造，辖第10，第16，第108师团）和直属第5、第109师团、中国驻屯混成旅，临时航空兵团等。共辖2个军，8个师团、17个旅团和1个临时航空兵团及其他特种部队，外加关东军察哈尔派遣兵团4个独立混成旅团和2个支队，共约37万人。日华北方面军根据日参谋总部关于进行华北会战的命令，于9月4日制订《华北会战指导方略》，规定将会战的重点置于河北中部的平汉沿线，由第1军担任该线作战，第2军负责津浦路作战。为保证第1军在重点方向平汉路作战，令担任平绥路作战的第5师团南下蔚县，以确保平汉路的右侧安全，并从蔚具南下，参加河北中部会战。
全国抗战开始时，根据对日防御作战的需要，国民政府军事委员会于8月20日颁布全军战斗序列，并将平汉，津浦路沿线地区划为第一战区，军事委员会委员长蒋介石亲兼司令长官；晋、察、绥3省划为第二战区，以阎锡山为司令长官。两战区担任华北防御作战任务，所辖兵力共6个集团军，24个军（军团、路军），53个师另21个旅和其他部队，约60万人。但由于实行片面抗战路线和单纯防御的战略方针，在日军大规模战略进攻面前，节节败退。华北战局迅速恶化。
根据国共两党达成的协议和国民政府军事委员会8月22日关于将中国工农红军主力改编为国民革命军第八路军的命令，中共中央军委于8月25日发布命令，将中国工农红军第一，第二、第四方面军和陕北工农红军改编为国民革命军第八路军（9月11日，按全国统一的战斗序列，改称为第18集团军），以朱德、彭德怀为正、副总指挥（9月11日改称正、副总司令），下辖第115、第120、第129师和总部直属部队，共计4.6万人。8月下旬，中共中央政治局洛川会议确定八路军的基本任务是：创建抗日根据地，钳制与消耗敌人，配合友军作战，保存和扩大自己。战略方针是：独立自主的山地游击战。作战地区为冀察晋绥4省交界地区。
8月22日，正当日军对华北展开多路进攻，国民党军队节节后退之时，中共中央军委未等八路军改编就绪，即命令第115师主力从陕西三原地区誓师出征。8月31日，该师经韩城东渡黄河，至侯马，乘火车沿同蒲路北上，挺进晋察冀交界地区。9月3日，八路军总部与第120师主力分别由陕西浸县云阳镇和富平县庄里镇出发，跟随第115师之后，向华北抗日前线挺进。9月30日，第129师主力亦由富平庄里镇出发，东进北上，开赴华北前线。
正当八路军日夜兼程奔赴抗日前线之际，沿平绥路西进之日关东军察哈尔派遣兵团于9月13日占领大同后，以一部继续向绥远进攻，主力则沿同蒲路南下。与此同时，日军华北方面军第5师团，亦由平绥路东段之宣化南下晋察冀交界地区。中国第二战区部队退守平型关至茹越口内长城一线。9月中旬，日军华北方面军7个师团沿平汉、津浦路南犯，突破中国第一战区保定一沧县防线后，继续向石家庄—德县一线进攻，在此形势下，中共中央军委主席毛泽东于9月16、17日，向八路军发出变更战略部署的指示，指出：敌之战略计划是以大迂回姿势，企图夺取太原，威胁平汉路友军侧背，进而实现夺取华北5省的计划。同时判断恒山山脉一带必为日军夺取晋察冀3省之战略枢纽。根据这一敌情变化，毛泽东决定，将原来3个师集中配置在恒山山脉一区的计划，改为分散配置于山西的四角。即：第120师转至以管涔山脉为依托的晋西北地区；第115师立即进入恒山山脉南段，准备逐渐南移，展开于太行和太岳两山脉中，第129师于适当时机进至以吕梁山脉为依托的晋西南地区。变更后的部署对敌占中心城市和交通要道形成四面包围之势，对于八路军保持战略上的主动，配合国民党军作战，粉碎日军的进攻，对于独立自主地进行山地游击战、创建敌后抗日根据地，都具有极其重要的意义。
9月21日，毛泽东致电八路军副总司令彭德怀，强调指出：“今日红军在决战问题上不起任何决定作用，而有一种自已的拿手好戏，在这种拿手戏中，一定能起决定作用，这就是真正独立自主的山地游击战（不是运动战）。”
根据毛泽东的指示，八路军总部于9月21日和25日先后对各师发出指示和训令，要求各部队“应以机动灵活的袭击求得消灭敌人小部”，同时，立即在八路军所到之外，“独立自主地担负起群众工作”，动员群众，开展群众性游击战争。根据总部的指示和地区划分，第115师于9月中旬向五台、繁峙、灵丘等晋东北地区及冀西阜平地区挺进，第120师主力于9月下旬前进到宁武、神他等晋西北地区，其第359旅展开于五台、平山地区活动；第129师准备向正太铁路以南之晋东南地区发展。
9月中旬，由平绥路东段向西南进攻之日军第5师团，在由大同向南进攻的察哈尔派遣兵团主力的配合下，迅速向内长城线逼近，企图突破平型关要隘，歼灭中国第二战区部队，从右翼配合华北方面军主力在平汉路的作战。至9月20日，日军第5师团已占领晋东北的广灵、浑源和灵丘等地；日军察哈尔派遣兵团亦进逼晋北雁门关。在日军的进攻下，中国第二战区决定在平型关—雁门关—神池内长城线组织防御，凭借长城天险，阻止日军进入山西腹地。部署杨爱源所部第6集团军（辖第15、第17、第33军）担任右翼北楼口至平型关的防御；傅作义所部第7集团军（辖第34、第35、第19、第61军）担任左翼北楼口以西至神池沿线防御。9月21日，日军第5师团第21旅团一部由灵丘向平型关迸犯，其后续部队亦有向平型关开进之模样。第二战区决心集中4个师和2个旅的兵力，歼灭平型关之敌。同时致电八路总司令朱德称：“我决歼灭平型关之敌，增加8个团的兵力拂晓可到，希电林师（即第115师）夹击敌之侧背。”
为了配合友军作战，八路军总部按照中共中央军委关于调整战略部署的指示，令第120师进至雁门关以西的神池地区，侧击由大同南犯之日军；令第115师进至平型关以西之大营镇待机，准备侧击进犯平型关之日军。第115师奉命赶到大营镇后，立即侦察平型关方向的敌情、地形，获悉日军第5师团正由浑源、灵丘，涞源分3路向西进攻，各路相距较远，兵力分散，进攻平型关方向的日军约1个旅。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长谷道，其间，关沟至东河南镇长约13公里的地段，沟深路窄，甚为险要，两侧高地便于隐蔽部署兵力，发扬火力和展开突击，是伏击歼敌的理想战场。据此，第115师决心抓住日军骄横、疏于戒备的弱点，利用平型关东北有利地形，出敌不意，以伏击手段歼灭由灵丘向平型关进攻之日军，配合友军作战，并报请军委和八路军总部批准。第115师即令第343旅由大营镇前出至平型关东南之上寨地区，隐蔽集结，令第344旅向上寨地区机动。
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，八路军总部命令第115师向平型关、灵丘间出动，侧击该敌。当日，第115师师长林彪、副师长聂荣臻在上寨召开连以上干部会议，进行深入的战前动员。当夜，师部率主力进至平型关东南15公里的冉庄地区。24日，第二战区第6集团军送来《平型关出击计划》，拟定以第71师附新编第二师及独立第8旅一部，配合第115师向平型关以东之日军出击。同日，第115师师长林彪、副师长聂荣臻组织干部现地勘察后，确定在平型关东北关沟至东河南镇道路两侧高地，采取一翼伏击的战术手段，歼灭由灵丘向平型关进攻之敌。
具体部署是：令师独立团和骑兵营插到灵丘—涞源—广灵之间地区活动，扰乱敌之后方，钳制和打击增援平型关之日军。以第343旅2个团担任主攻，其第685团占领关沟到老爷庙以东高地，截击日军先头部队，协同友邻围歼进入伏击地域之敌，并阻击由东跑池向老爷庙回授之敌，尔后，协同防守平型关之国民党军夹击东跑池之敌，其第686团占领老爷庙至小寨以东高地，实施中间突击，分割歼灭沿公路开进之敌，尔后，协助第685团向东跑池发展进攻。以第344旅第687团占领西沟村、蔡家峪、东河南镇以南高地。断敌退路，阻敌增援；以第688团为师预备队，置于东长城，黑山村地域。这种拦截敌之先头、切断敌之退路、实施中间突击、分割歼敌的部署，既保证伏击敌人兵力上的优势，又保证有足够阻击援敌的兵力。为隐蔽行动企图，发挥战役的突然性，第115师于24日午夜利用夜暗和暴雨，由冉庄向平型关东北之白崖台开进，于拂晓前进入预伏地域，并做好战斗准备。
25日拂晓，日军第5师团第1旅团后续部队乘汽车100余辆，附辎重大车200余辆，沿灵丘—平型关公路由东向西开进。7时许，该部全部进入第115师预伏地域。由于道路狭窄，雨后泥泞，其车辆、人马拥挤堵塞，行动迟缓。第115师抓住战机，全线突然开火，给日军以大量杀伤，并乘日军混乱之际，适时发起冲击。第685团迎头截击，歼灭日军先头一部，封闭了日军南窜道路。第687团在蔡家峪和西沟村之间，分割包围了日军后尾部队，并抢占韩家湾北侧高地，切断了日军的退路。第686团于小寨至老爷庙之间，实施突击，并令第2营冲过公路，迅速抢占了老爷庙及其以北高地，将日军压缩于狭谷之中。陷入四面包围、伤亡惨重的日军，拼命向老爷庙反扑，企图向北突围。控制老爷庙及其以北高地的第686团第2营在第1，第3营协同下，连续打退日军的多次反扑。为解救被围日军，先期进占东跑池之日军一部，试图回援老爷庙，亦被第85团所阻。日军第5师团长板垣征四郎急令在蔚县、涞源之日军向平型关增援，但被第115师独立团、骑兵营阻击于灵丘以北、以东地区，并在灵丘以北之腰站毙伤其300余人。13时许，蔡家峪以东之日军一部与小寨以南被围日军会合后，在6架飞机掩护下，以密集队形，再次向老爷庙及附近高地猛扑。由于敌我短兵相接，日军飞机无法发挥其火力，日军的反扑又一次被第686团击退。第686团遂集中全力，在两翼友邻的协同下，将被围日军歼灭。至此，战斗胜利结束。当日黄昏，第343旅向东跑池日军展开攻击。但由于国民党军未按计划出击，致使该部日军由团城口突围。
八路军第115师在平型关战役中，共击毙日军精锐第5师团第21旅团一部1000余人，击毁汽车100余辆、大车200余辆。缴获步枪1000余支、机枪20余挺、火炮1门，以及大批军用物资，取得全国抗战开始以来中国军队的第一个大胜利。
平型关战役是八路军出师后，首次集中较大兵力对日军进行的一次成功的伏击战。这一战役，准备充分，正确地选择战场并利用有利地形，部署和使用兵力，发挥战役的突然性和近战特长，在日军长驱直入，国民党军节节后退，华北战局危急的形势下，首战告捷，极大地振奋了全国的民心、士气，增强了取得抗战胜利的信心，提高了中国共产党和八路军的声望。同时，有力地打击了日军的疯狂气焰，挫伤了日军的锐气，打破了日军“不可战胜”的神话，迟滞了日军的进攻，为忻口作战赢得准备时间，支援了平汉、同蒲路方面友军的作战。