陳邦棟下達了準備戰鬥，立即上公路的命令。因部隊在日軍後方而日軍不知，剛上到公路沒一會，兩輛向後運傷兵的日軍汽車（掛有日本旗子）就到了，立即受到集火射擊的待遇，駕駛員被擊斃，車停下了。因未見到日軍的抵抗，部隊衝上去一看，車上都是傷兵，還有兩女護士，但女護士手中拿了日式甜瓜手雷，企圖和戰士同歸於盡，因而被擊斃。日軍傷兵被刺刀刺死，汽車被繳獲。一試之下，汽車雖到處是彈孔，但都還能開。因油箱發動機等在車底部，而射擊是瞄向上方的乘員，於是命令部隊悄悄向日軍摸去。而這兩輛汽車則坐上幾組機槍兵，向前突擊，到時互相配合，一起進攻。部隊在路兩邊的樹叢裏向日軍接近，兩輛汽車高速開來，八路軍指揮員以為是日軍的增援，正自心焦，突然看見車中的機槍向日軍迫擊炮陣地和指揮部攻擊，不由驚喜萬分。隨後大隊中國軍人都一起向日軍背後攻擊，也立即下達了進攻的命令，日軍雖拚命抵抗，但無奈中國軍人太多，又被打掉了炮陣地和指揮部，於50分鍾後被殲滅。
是役，中國軍隊兩千好幾百人，消滅了日軍一個半中隊約400人。中國軍隊傷亡總數也達400，不過主要是八路軍的傷亡，八路軍陣亡100餘人，負傷200餘人，廣靈抗敵團傷亡80餘人。
雙方敬禮互通情況後，得知，此部分八路軍是大名鼎鼎的115師獨立團，團長是著名紅軍勇將楊成武。但此時，楊成武部的裝備明顯不如廣靈抗敵團，還有老套筒步槍（19世紀的步槍，因當時的槍管材質差而外加一個鋼鐵套子防止炸膛。也是漢陽兵工廠的早期漢陽造，為1905年前的產品，至少有32年了）。而陳邦棟所部有今400支嶄新的38步槍還有擲彈筒等，其餘也是新式漢陽造步槍。機槍也明顯比對方多。
原來21聯隊一路上總是受到襲擾，（陳邦棟派出的一個排騷擾部隊）或中小隊長被冷槍擊中，或一輛軍車掉入陷阱，或軋上了一顆地雷，被第42聯隊擊敗的中國軍人像蒼蠅似的不斷襲擾，討厭非常。如果派兵驅逐，又看不見對方在哪裏。讓聯隊長廣獺大佐心裏很惱火。一路上不停有事情發生。9月25日好不容易趕到離42聯隊不遠之處了，卻遇上八路軍115師師長隱秘的伏擊，參與伏擊的是115師343旅（旅長陳光）全部下屬685團686團，344旅（旅長徐海東）687團三個團，688團因大雨造成突然的山洪未能趕到。該部為紅軍王牌部隊，團長們在55年都被授上將軍銜。因115師裝備差，日軍前鋒戰鬥部隊得以衝出了包圍圈，但後部的輜重部隊被殲滅。陣亡新莊和橋本兩位中佐。被八路軍繳獲大炮（野炮）一門，另有幾千發山炮炮彈的繳獲。子彈和大衣也有許多。（因山西大陸性氣候，日軍不習慣晝夜如此的溫差大，大衣是給日軍夜用的。）共產黨方麵為鼓舞全國軍民抗戰，說殲敵3000餘人，但日軍隻承認400餘人的損傷。日軍在戰場一貫有誇大戰功少報損失的情況。（這就是史稱的平型關大捷）正確情況是在後來的教科書上被改為1000多人。但也不能排除其中有不在編製的朝鮮人和穿軍服的女人（日本人叫挺身隊）存在的情況。
楊成武的獨立團就是**師長為保證平型關伏擊戰的順利進行而派出的阻援部隊。武器陳邦棟隻取了一挺重機槍和兩門迫擊炮，其餘都給了獨立團。並主動承擔了100餘傷員的轉移及治療任務。