會議一結束。八路軍第115師主力連夜趕往距平型關15餘公裏的冉莊、東長城村地域。師首長同時命令獨立團和騎兵營向靈丘、淶源方向活動，主要任務是擾亂日本軍隊的後方，一旦發現日軍向平型關增援，立即進行牽製和打擊，保障平型關戰鬥的勝利。
部隊宿營時，聶榮臻前往預定戰場察看地形。聶榮臻看到，這條由東北向西南伸展的狹窄溝道，地勢最險要的是中段，這一地段溝深數十丈不等，溝底隻能通過一輛汽車，幾乎沒有錯車的地方。南北溝岸又是比較平坦的山地，便於部隊埋伏。聶榮臻看後，心裏踏實多了。
9月24日，前方傳來斷斷續續的炮聲，敵人漸漸臨近了。中午，前沿部隊向師部報告，日本軍隊可能會在翌日大舉進攻。這天，林彪、聶榮臻抓緊時間，組織各級指揮員到預定伏擊地域進行現地察看。指戰員們看到，平型關東北關溝至東河南鎮道路兩側的高地，既便於部隊隱蔽，又有利於突擊，是打伏擊戰的好戰場，當即確定了攔截日軍先頭、切斷日軍退路、中間突擊分割，共同殲滅來犯日軍的部署。具體配置方案是：
第343旅所屬第686團占領小寨村至老爺廟以東的高地，主要任務是中間突擊；第685團占領老爺廟西南至關溝的高地，主要任務是截擊日軍的先頭部隊，協同第686團殲滅伏擊圈裏的日軍，並阻止東跑池方麵來援的日軍。
第344旅所屬第378團占領西溝村、蔡家峪、東河南鎮以南的高地，主要任務是切斷日軍的退路，阻止從靈丘、渾源方麵趕來支援的日軍；第688團為師預備隊。
4個團4支英雄的部隊像一張無形的網，任務明確，協同周密，等待日軍就範。
傍晚，聶榮臻和林彪收到閻錫山以第二戰區第6集團軍的名義送給第115師的“平型關出擊計劃”，這個計劃擬定以第71師附新編第2師及獨立第8旅1部，配合第115師向平型關以東之日軍出擊。
聶榮臻和林彪圍在一盞馬燈旁，攤開軍用地圖，又研究了一遍作戰方案。
深夜，林彪拿起電話，下達了第343旅進入白崖台一線伏擊陣地、第344旅隨後跟進的命令，要求部隊必須在25日拂曉前完成各項戰鬥準備。
林彪預感到，平型關的伏擊戰一定能打勝。戰場上要抓一批俘虜，把日本俘虜帶到太原去遊街，擴大影響。
林彪曾對徐海東說：“不能大意，不要輕敵，豆腐要當鐵打，要留好預備隊，要通過這次戰鬥摸摸日本鬼子的特點。”
天黑以後，天公不做美，下起了大雨，聶榮臻和林彪隨同陳光的第343旅向伏擊陣地出發。沒有雨衣，又缺少禦寒的服裝，指戰員們任憑秋雨澆灑，沿著崎嶇的山溝向前行進。
雨越下越大，似乎要把行軍隊伍衝斷。指戰員們把槍和子彈掛在脖子上，手拉著手，結成“纜索”，穿過湍急咆哮的山洪，有的不得不拽著馬尾巴，從激流中跟過去。
大雨滂沱，水勢越來越凶猛。第344旅闖過了1個團，其他部隊被越來越險惡的山洪攔住了，好些急於涉過山洪的戰士紛紛被衝倒了，淹沒了。見此情形，聶榮臻對林彪說：“山洪越來越大，部隊不能再強渡了。這個旅過來的部隊就作為預備隊吧，把作戰任務交給楊得誌和李天佑。”
林彪同意了。
一場大雨，把楊得誌、李天佑推到了抗戰第一大勝仗的最前沿。
8月25日，這是一個晴朗清新的早晨，聶榮臻和林彪率領部隊趕到了那條十裏多長的溝道通路的東南山地上。戰士們經過一夜風雨侵襲，忍受著饑餓和寒冷，趴在冰涼的陣地上，等待著打擊侵略者的戰鬥號角。師指揮所設在溝東南的一個小山頭上。這裏，舉起望遠鏡就可以縱觀全溝。
拂曉，山溝裏傳來了汽車的馬達聲。日軍第5師團21旅團2個聯隊的2000人和大批輜重車輛，沿靈丘至平型關的公路西進。前麵是100餘輛汽車，後麵是200多輛大車，車上坐滿了戴著鋼盔的日本兵，最後還有少數騎兵，行軍縱隊雖然前後銜接，但由於道路狹窄，雨後泥濘，車輛、人員擁擠堵塞，行動緩慢。
日軍進入平型關喬溝，就等於進入了一條“死胡同”。
但是，日本兵根本沒有意識到他們所處的不利地形，依舊驕橫得意，大搖大擺，如入無人之地，似乎不是在侵略異國的領土，不會遇到抵抗。他們南下以來，也基本上沒有遇到抵抗。
不一會兒，日軍全部進入伏擊圈。第115師首長抓住有利戰機，下達了攻擊命令。聶榮臻看了看表，7時整。
一聲令下，第一場戰鬥打響了。
頓時，機槍、步槍一齊開火，子彈、手榴彈雨點般地落在敵群中。日軍車撞車，人擠人，成了一團亂麻。聶榮臻對林彪說：“我們應該把溝裏的敵人分成幾段，分段吃掉它。”
楊得誌指揮的第685團迎頭打擊，封閉了日軍南竄的道路。戰前，戰士們早上好了刺刀，槍膛裏壓滿了子彈，焦急地等著日本鬼子出現。團長楊得誌那雙眼睛緊盯著公路的拐彎處，當日軍的頭幾輛汽車開到山腳下時，楊得誌立即命令：“打！”
最前麵的汽車遭到八路軍指戰員暴風雨般的打擊，開不動了，起火了。後麵的汽車、馬車聽到槍聲，不顧一切地往前衝，企圖逃避八路軍的打擊。然而，八路軍指戰員早已瞄準了前麵這些汽車，一陣猛烈的手榴彈，把車全炸毀了，也把道路堵住了。後麵的汽車互相撞擊，日軍亂成一團。
楊得誌高聲命令：“全體衝鋒！”
日軍第21旅團並不是群烏合之眾。當鬼子意識到自己已經遭到八路軍的伏擊以後，紛紛從汽車上跳下來，在路旁選擇一處有利位置，進行頑抗。一名指揮官揮舞著指揮刀，命令日軍衝上山去，占領製高點。
楊得誌見此情形，立即命令身邊的通信員：“你到各營傳達我的命令，這裏的製高點一個也不準鬼子占領。”通信員答應一聲，飛快地跑了。
第685團是一支戰鬥力很強的部隊。這個團的1營曾跟隨朱德參加過南昌起義，2營曾經跟隨毛澤東參加了秋收起義，3營是跟隨黃公略將軍征戰多年的部隊，3個營都有輝煌的曆史，都有光榮的傳統，都特具戰鬥力。1營營長接到楊得誌團長的命令後，立即指揮2個連的指戰員向公路旁的兩個小山頭衝過去，把正從山溝裏爬上來的鬼子打下去了。4連用兩麵夾擊的戰法把已經登上一處製高點的鬼子逼回溝底，幹淨利索地消滅掉。