山地作戰的特點，除了用一小股兵力搶占老爺廟外，其他大部分敵人始終擠在公路上被動挨打。
686團的部分兵力就沖過公路，直奔公路西側的老爺廟。
這樣，在2營的積極支援下，3營終于占領了老爺廟這個制高點。
占領了老爺廟後，686團從公路兩側居高臨下對敵人進行打擊，打得敵人無處躲藏。
這時，敵人的指揮官才猛醒過來，發現了自己戰術上的失誤，馬上揮刀喊叫，指揮部隊争奪老爺廟制高點。
但是，由于雙方處于近戰膠着狀态，敵人的大炮、快速騎兵全都失去了作用，火力優勢就發揮不出來了。
八路軍居高臨下，對日軍進行猛烈的打擊。
敵人沖上來，馬上就垮下去。
再沖上來，又垮下去。
敵人一次又一次進行沖擊，在老爺廟下面集結的日軍越來越多，足有五六百人，這時敵人的飛機也來湊熱鬧，低空盤旋着，尋找機會。
但交戰雙方靠得很近，敵機不敢輕易投彈。
戰鬥進行到下午1時，687團從後面攻上來，敵人的後尾頓時亂了。
原來，第687團将敵後尾部隊分割包圍于蔡家峪和西溝村地區，并搶占韓家灣北側高地，切斷了敵人的退路。
被分割的敵人企圖向北逃竄，但被687團殲滅于蔡家峪東北。
随後，687團轉而南下配合343旅進行戰鬥。
這時，115師師長林彪意識到進行全面攻擊的時機到了，于是命令各部隊立即發起攻擊。
占據公路兩側的部隊迅速發起了沖擊，很快就把老爺廟與興莊之間的敵人消滅在山溝裡。
在殲滅老爺廟和小寨村之敵的過程中，為解救被圍的同夥，先期進占東跑池之敵一部回援，又被第685團所阻。
第5師團長闆垣又急令其在蔚縣、涞源的部隊向平型關增援，但增援之敵被115師獨立團、騎兵營阻擊于靈丘以北和以東地區，并在靈丘以東的腰站被斃傷300餘人。
被圍于小寨村至老爺廟之敵，在6架飛機掩護下，再次猛攻老爺廟及附近高地，也未能得逞。
第686團遂集中全力，在兩翼友鄰部隊協同下，将被圍之敵全部殲滅。
至當日13時，戰鬥勝利結束。