一股日軍搶占了一個山包，憑借凶猛的火力頑強固守。八路軍指戰員數次衝擊，都沒有攻下山包。這時候，一名連長上前觀察，看到遠處的小山包上有2個鬼子的人影在晃動，隻見一名鬼子手持望遠鏡，一名鬼子揮舞著指揮刀，連長判斷，這兩名鬼子可能是指揮官，即揚起套筒槍，“叭！叭！”兩槍，兩名鬼子應聲倒下了。連裏的指戰員見勢，一擁而上，把日軍擊潰。這名連長就是龍書金，槍法特別好，平時練就了百發百中的硬功夫，紅軍時期，他是連裏的射擊標兵，到陝北以後，紅軍在三原開運動會，龍書金是射擊代表。1955年，龍書金被授予少將軍銜。
在2營和3營的作戰地段上，指戰員們同日本鬼子展開了肉搏戰，殺聲震天。
喬溝那邊激戰正酣，日軍出動了2架飛機來增援，八路軍戰士機智地與敵人“靠得”更近了，日軍飛機受地形限製，想掃射又不敢掃射，想投彈也無法投彈，在平型關上空盤旋了幾周，無可奈何地飛回去了。八路軍指戰員用自己的勇敢精神遏製了敵機的作用。
李天佑指揮的第686團勇猛地衝向公路，與日本鬼子短兵相接。巨大的衝殺聲響徹山穀，戰士們勇猛地向敵人衝擊。
八路軍東渡黃河以來，士氣高漲，現在，滿腔抗日激情都集中在槍口上。受過軍國主義訓練的日本兵雖然失去指揮，卻抵抗得十分頑強。有的日本兵爬到汽車底下和溝壩上，向八路軍射擊；有的日本兵拚命往山坡上爬，希望奪占一塊有利陣地。路溝裏的八路軍戰士很想像同國民黨打仗一樣，多抓一些俘虜，誰知日本兵驕橫異常，死不投降，伏擊戰發展成一場驚心動魄的白刃肉搏戰，中國士兵和日本士兵打在一起，傷員和傷員扭成一團，互相用牙齒咬，用拳頭砸。
一次，日本鬼子集中力量猛攻老爺廟，企圖奪路突圍，遭到據守該陣地的5連3排戰士們頑強的阻擊，全排指戰員壯烈犧牲，日軍也未能突破這個陣地。
八路軍將士十分勇猛。當一股日軍企圖奪占公路兩側的高地，掩護其他部隊突圍時，第686團第2營的指戰員搶在日軍前麵占領了老爺廟及其以北的高地，與公路東側的部隊形成兩麵夾擊，又把日軍壓縮到峽穀之中。第686團副團長楊勇在戰鬥中負傷，顧不上包紮，繼續在戰場上搏殺。
危急時刻，曾賢生連長高喊一聲：“我們要用刺刀消滅敵人，就是犧牲，也要堵住敵人！”他帶領全連戰士首先衝進敵群，在與日軍肉搏中光榮犧牲。
進至東跑池的日軍聽到後麵激烈的槍聲，立即回過頭來企圖援助。卻被第685團的指戰員死死阻擊，無法回援。
日軍在平型關遭到伏擊的消息很快傳到第5師團，師團長阪垣征四郎大吃一驚。前幾日，阪垣選擇平型關作為進攻的迂回路線，是考慮到山西和河北交界的地方是中國軍隊防禦的薄弱環節，根本沒有想到會突然冒出來一支八路軍的精兵。戰場十萬火急，阪垣嚴令在蔚縣、淶源的第21旅團第42聯隊的日軍火速趕往平型關增援。
但是，阪垣的命令已經難以挽救平型關遭到伏擊的日軍的命運了。林彪、聶榮臻早已料到日軍的意圖，把師獨立團和騎兵營配置在靈丘以北和以東的地區，這路日軍根本無法向平型關靠攏。
阪垣征四郎聞訊，急忙調來6架飛機到平型關上空，企圖掩護日軍突圍。被圍日軍聽到飛機聲，看到了一線生機，再次組織部隊猛攻老爺廟和附近的高地。然而，日軍的希望再次落空了，平型關已經被八路軍圍成銅牆鐵壁，根本不可能突出去。
傍晚，戰鬥結束了。
山溝裏響起了八路軍戰士的陣陣歡呼聲，日軍精銳第5師團第21旅團1000多人被殲滅了。阪垣征四郎，這個中將師團長，有名的“中國通”，萬萬沒有想到在眼皮底下有一支嚴陣以待的八路軍。
9月28日，八路軍第115師最後一批指戰員撤離平型關。就在這一天，阪垣征四郎親自率領7000人馬由靈丘西進。先頭的第21聯隊第3大隊首先目擊了3天前激戰留下的殘跡，多年後日本出版的《濱田聯隊史》中有如下記載：
“9月28日，成澤中隊得到友軍的支援後，勇氣百倍，再次繼續前進中卻遇到意外情景，一刹那間嚇得停步不前。冷靜下來看時，行進中的汽車聯隊似遭突襲全被殲滅，100餘輛汽車慘遭燒毀，每隔約20米，倒著一輛汽車殘骸。
“公路上有新莊中佐等無數陣亡者，及被燒焦躺在駕駛室裏的屍體，一片慘狀，目不忍睹。
“想到平岩大隊25日接支隊命令前來救援，半路上卻受到比我方多十幾倍敵人的包圍，終於未能到達目的地。為此，竟造成如此悲慘景象，痛切心情，難以言表。
“用了長達3個小時，才把一輛輛燒焦的汽車拖到公路一邊，處理好陣亡者的屍體，公路上勉強可以行進。成澤中隊開始前進，到達嶺上。從嶺上向峽穀看，輜重車輛隊不是也全部覆滅了？公路不是被輜重車輛、層層疊疊的人馬的屍體堵塞著了嗎？”
這正是粟飯原秀部隊的大行李隊及山口、口島2個大隊的大小行李隊遭到覆滅，宛如地獄圖畫的悲慘情景。日軍在此用了近3個小時收屍、騰路，才勉強騰出一條可以繼續通行的路來。可見，當時平型關戰鬥是十分激烈的。
阪垣征四郎看到3天前的平型關戰場，百感交集。但是，沒有吸取教訓，繼續指揮日軍屠殺中國人民。1948年12月22日深夜，阪垣征四郎這個雙手沾滿中國人民鮮血的劊子手，在日本東京鴨巢監獄被押上絞刑架。遠東國際軍事法庭起訴的28名戰犯中，阪垣征四郎是第4號戰犯。阪垣征四郎的罪孽深重，對中國人民犯下的罪責難逃。
平型關是英雄關。平型關戰役打破了日軍“不可戰勝”的神話，創造了抗日戰爭的奇跡。
這次戰役的影響是深遠的，親自參加平型關戰鬥的楊得誌團長回憶說：
“平型關一戰最大、最直接的影響還是在中國國內。它使全國人民看到了貌似強大的日本帝國主義的虛弱本質；它使全國人民看到自己不可戰勝的力量；它使全國人民更加信賴中國共產黨和其所領導的、堅決抗日的八路軍。真是打出了中華民族的威風，打出了中華民族的誌氣，打出了全國人民對‘驅逐日寇出中國’、‘打倒日本帝國主義’，取得抗日戰爭最後勝利的堅強信念和信心！”