3公裡的地段，溝深路窄，甚為險要，兩側高地便于隐蔽部署兵力，發揚火力和展開突擊，是伏擊殲敵的理想戰場。
據此，第115師決心抓住日軍驕橫、疏于戒備的弱點，利用平型關東北有利地形，出敵不意，以伏擊手段殲滅由靈丘向平型關進攻之日軍，配合友軍作戰，并報請軍委和八路軍總部批準。
第115師即令第343旅由大營鎮前出至平型關東南之上寨地區，隐蔽集結，令第344旅向上寨地區機動。
22日，日軍第5師團第21旅團一部，由靈丘向平型關進犯，并占領東跑池地區。
23日，八路軍總部命令第115師向平型關、靈丘間出動，側擊該敵。
當日，第115師師長林彪、副師長聶榮臻在上寨召開連以上幹部會議，進行深入的戰前動員。
當夜，師部率主力進至平型關東南15公裡的冉莊地區。
24日，第二戰區第6集團軍送來《平型關出擊計劃》，拟定以第71師附新編第二師及獨立第8旅一部，配合第115師向平型關以東之日軍出擊。
同日，第115師師長林彪、副師長聶榮臻組織幹部現地勘察後，确定在平型關東北關溝至東河南鎮道路兩側高地，采取一翼伏擊的戰術手段，殲滅由靈丘向平型關進攻之敵。
具體部署是：令師獨立團和騎兵營插到靈丘—涞源—廣靈之間地區活動，擾亂敵之後方，鉗制和打擊增援平型關之日軍。
以第343旅2個團擔任主攻，其第685團占領關溝到老爺廟以東高地，截擊日軍先頭部隊，協同友鄰圍殲進入伏擊地域之敵，并阻擊由東跑池向老爺廟回授之敵，爾後，協同防守平型關之國民黨軍夾擊東跑池之敵，其第686團占領老爺廟至小寨以東高地，實施中間突擊，分割殲滅沿公路開進之敵，爾後，協助第685團向東跑池發展進攻。
以第344旅第687團占領西溝村、蔡家峪、東河南鎮以南高地。
斷敵退路，阻敵增援；以第688團為師預備隊，置于東長城，黑山村地域。
這種攔截敵之先頭、切斷敵之退路、實施中間突擊、分割殲敵的部署，既保證伏擊敵人兵力上的優勢，又保證有足夠阻擊援敵的兵力。
為隐蔽行動企圖，發揮戰役的突然性，第115師于24日午夜利用夜暗和暴雨，由冉莊向平型關東北之白崖台開進，于拂曉前進入預伏地域，并做好戰鬥準備。
25日拂曉，日軍第5師團第1旅團後續部隊乘汽車100餘輛，附辎重大車200餘輛，沿靈丘—平型關公路由東向西開進。
7時許，該部全部進入第115