師預伏地域。
由于道路狹窄，雨後泥濘，其車輛、人馬擁擠堵塞，行動遲緩。
第115師抓住戰機，全線突然開火，給日軍以大量殺傷，并乘日軍混亂之際，适時發起沖擊。
第685團迎頭截擊，殲滅日軍先頭一部，封閉了日軍南竄道路。
第687團在蔡家峪和西溝村之間，分割包圍了日軍後尾部隊，并搶占韓家灣北側高地，切斷了日軍的退路。
第686團于小寨至老爺廟之間，實施突擊，并令第2營沖過公路，迅速搶占了老爺廟及其以北高地，将日軍壓縮于狹谷之中。
陷入四面包圍、傷亡慘重的日軍，拼命向老爺廟反撲，企圖向北突圍。
控制老爺廟及其以北高地的第686團第2營在第1，第3營協同下，連續打退日軍的多次反撲。
為解救被圍日軍，先期進占東跑池之日軍一部，試圖回援老爺廟，亦被第85團所阻。
日軍第5師團長闆垣征四郎急令在蔚縣、涞源之日軍向平型關增援，但被第115師獨立團、騎兵營阻擊于靈丘以北、以東地區，并在靈丘以北之腰站斃傷其300餘人。
13時許，蔡家峪以東之日軍一部與小寨以南被圍日軍會合後，在6架飛機掩護下，以密集隊形，再次向老爺廟及附近高地猛撲。
由于敵我短兵相接，日軍飛機無法發揮其火力，日軍的反撲又一次被第686團擊退。
第686團遂集中全力，在兩翼友鄰的協同下，将被圍日軍殲滅。
至此，戰鬥勝利結束。
當日黃昏，第343旅向東跑池日軍展開攻擊。
但由于國民黨軍未按計劃出擊，緻使該部日軍由團城口突圍。
八路軍第115師在平型關戰役中，共擊斃日軍精銳第5師團第21旅團一部1000餘人，擊毀汽車100餘輛、大車200餘輛。
繳獲步槍1000餘支、機槍20餘挺、火炮1門，以及大批軍用物資，取得全國抗戰開始以來中國軍隊的第一個大勝利。
平型關戰役是八路軍出師後，首次集中較大兵力對日軍進行的一次成功的伏擊戰。
這一戰役，準備充分，正确地選擇戰場并利用有利地形，部署和使用兵力，發揮戰役的突然性和近戰特長，在日軍長驅直入，國民黨軍節節後退，華北戰局危急的形勢下，首戰告捷，極大地振奮了全國的民心、士氣，增強了取得抗戰勝利的信心，提高了中國共産黨和八路軍的聲望。
同時，有力地打擊了日軍的瘋狂氣焰，挫傷了日軍的銳氣，打破了日軍“不可戰勝”的神話，遲滞了日軍的進攻，為忻口作戰赢得準備時間，支援了平漢、同蒲路方面友軍的作戰。