日军浩浩荡荡，不可一世，根本没有把八路军放在眼里，因为他们完全相信自己的实力，可以长驱直入。
9月25日，天刚蒙蒙亮，日军第5师团第21旅团的辎重部队乘坐100余辆汽车，携带200多辆大车的辎重，共计1000多人，沿灵丘至平型关公路一字前行。
115师的战士们，在伏击阵地上警惕地注视着公路。经过近一夜的冒雨行军，虽然相当劳累，但谁也没有困意。大战之前，大家既紧张，又兴奋。他们先是听到了远处传来的马达声，接着就隐隐约约地看到敌人汽车的影子。汽车越来越近，这才发现汽车后面还有马车一大溜。只见头一辆汽车上插着一面“膏药旗”，坐着几十个日本兵，头戴闪光的钢盔，身着黄呢大衣，怀里抱着带刺刀的步枪。
115师担负伏击主要行动的是第343旅的两个团。
执行拦头和侧击任务的是第685团。该团原是红军的主力部队，下辖的3个营都有着光荣的历史。1营是朱老总从南昌起义带出来的，2营是跟着毛泽东参加秋收起义上井冈山的，3营是黄公略领导的红3军的底子。
战士们一边瞪大了双眼看着进入伏击地域的日本鬼子，一边上好刺刀，在枪膛里压满了子弹；机枪射手们则把机枪准星对准了日本鬼子，只等着指挥员一声令下。
7时许，敌人全部进入115师的伏击地域。由于道路狭窄，雨后道路泥泞，敌人的车辆、人马拥挤不堪，行动十分缓慢。第685团抓住有利战机，给予迎头截击，首先打乱了敌军的队形。日军最前面的汽车已被打坏，并着了火，后边的汽车、大车和骡马等互相拥挤在一起，走不动了。日军被这突如其来的伏击打晕，纷纷跳下车四处散开。
但板垣的21旅团不愧是“大日本皇军”的精锐，是经过严格的训练的。很快他们便从惊慌中清醒过来，其骄横、凶狠、毒辣和残忍的本性就开始发作，指挥官举着军刀拼命地号叫着，躲到汽车下面的士兵爬出来拼命往山上爬，想占领制高点。
这时，685团团长杨得志立即派通信员向各营传达命令：“附近的制高点一个也不准鬼子占领！”
于是，第685团同敌人展开了争夺制高点的激烈战斗。
第686团是侧击的主力。据李天佑战后回忆，他们团也几乎与685团同时展开了攻击。战斗一开始，他们就把拥塞在公路上的敌人打得人仰马翻。随后，根据师指挥所的指示，李天佑又命令3营向老爷庙冲击，夺取老爷庙制高点。
山谷中，杀声震天。八路军指战员勇猛地向公路冲击。但敌人终究是凶狠的，而且枪法也很准。敌人不顾伤亡，利用汽车和沟坎顽抗，机枪打得嘎嘎地响。李天佑在望远镜中看到，八路军的火力压不住敌人的火力，冲上去的战士一个又一个地倒下去。但686团的战士们还是前仆后继地进行攻击。可日军确实很顽强，过了一会儿，一部分敌人已经占领了老爷庙，形势对686团十分不利。
对敌人的攻击继续进行着，战士们接二连三地倒下。无论何时，军人都意味着牺牲，特别是在这种紧急关头，就不能害怕牺牲。李天佑咬咬牙，再一次命令3营：
“3营长，不要怕伤亡！猛冲，一定要拿下老爷庙！”
“是！保证完成任务！”3营长周海宾坚定地回答。
“老李，指挥所里的事交给你，我跟3营一起上去。”刚刚回到团部的686团副团长杨勇对李天佑说，随后便与3营一起向老爷庙的方向冲去。
随后，李天佑又组织侧翼连队加紧攻击，吸引敌人的火力，以支援3营的冲锋。
山沟里硝烟弥漫，响声震耳欲聋。3营的指战员们钻进烟雾里，往前跑，往前爬，往前滚，终于，冲上公路，同敌人展开白刃格斗。只见枪托上下飞舞，大刀闪着寒光。战士们面对强敌毫不畏惧，奋勇拼杀。
在3营向老爷庙敌人发动进攻的同时，李天佑又命令12连副连长王培根，带领一个排抢占东面公路拐弯处的小土地庙，控制有利位置，打击后面跟进的日军大车队。
王培根带着12连3排冲过去，占领了那个小土地庙，截住了老爷庙至兴庄的80多辆大车。日本人作战虽然非常顽强，但他们似乎不大懂山地作战的特点，除了用一小股兵力抢占老爷庙外，其他大部分敌人始终挤在公路上被动挨打。686团的部分兵力就冲过公路，直奔公路西侧的老爷庙。这样，在2营的积极支援下，3营终于占领了老爷庙这个制高点。
占领了老爷庙后，686团从公路两侧居高临下对敌人进行打击，打得敌人无处躲藏。这时，敌人的指挥官才猛醒过来，发现了自己战术上的失误，马上挥刀喊叫，指挥部队争夺老爷庙制高点。但是，由于双方处于近战胶着状态，敌人的大炮、快速骑兵全都失去了作用，火力优势就发挥不出来了。八路军居高临下，对日军进行猛烈的打击。
敌人冲上来，马上就垮下去。再冲上来，又垮下去。
敌人一次又一次进行冲击，在老爷庙下面集结的日军越来越多，足有五六百人，这时敌人的飞机也来凑热闹，低空盘旋着，寻找机会。但交战双方靠得很近，敌机不敢轻易投弹。
战斗进行到下午1时，687团从后面攻上来，敌人的后尾顿时乱了。原来，第687团将敌后尾部队分割包围于蔡家峪和西沟村地区，并抢占韩家湾北侧高地，切断了敌人的退路。被分割的敌人企图向北逃窜，但被687团歼灭于蔡家峪东北。随后，687团转而南下配合343旅进行战斗。
这时，115师师长林彪意识到进行全面攻击的时机到了，于是命令各部队立即发起攻击。占据公路两侧的部队迅速发起了冲击，很快就把老爷庙与兴庄之间的敌人消灭在山沟里。
在歼灭老爷庙和小寨村之敌的过程中，为解救被围的同伙，先期进占东跑池之敌一部回援，又被第685团所阻。第5师团长板垣又急令其在蔚县、涞源的部队向平型关增援，但增援之敌被115师独立团、骑兵营阻击于灵丘以北和以东地区，并在灵丘以东的腰站被毙伤300余人。
被围于小寨村至老爷庙之敌，在6架飞机掩护下，再次猛攻老爷庙及附近高地，也未能得逞。第686团遂集中全力，在两翼友邻部队协同下，将被围之敌全部歼灭。至当日13时，战斗胜利结束。