簡單打掃戰場之後，林彪命部隊向東跑池方向發展進攻擴大戰果。然而讓人意想不到的是，國軍不僅沒有按計劃及時出擊，反而任由平型關下被圍日軍從團城口突圍撤退。
饒是如此，平型關伏擊戰已經取得了不錯的戰果：經過約6個小時苦戰，殲滅日軍第五師團第21旅團濱田聯隊一千餘人，擊毀汽車百餘輛，繳獲火炮、及各種槍支千餘支，還有其他軍用物資，僅繳獲的大衣就足夠全師每人一件。而115師也付出了傷亡三四百，其中包括兩位副團長和兩位營長的代價。
八路軍首戰對手是號稱“鋼軍”的日軍第5師團。因該師團一名高級軍官陣亡，竟有消息指死者為師團長板垣征四郎，引起日本國內一片嘩然。
雖然最後證實死者不是板垣，但第5師團不敗的神話卻被八路軍終結。
在蔚縣司令部的板垣於三天之後親率大軍赴平型關尋機複仇，但林彪早已率部轉移到五台山區休整去了，留給板垣隻是戰場上的狼藉一片。據後來日本出版的《濱田聯隊史》記載：“行進中的汽車聯隊遭到突襲全部被殲滅，一百餘輛汽車慘遭燒毀，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。”
被平型關大捷改變的戰略
如果把晉東北戰場比作拳擊台，平型關伏擊戰就是八路軍揮出的一記凶狠的右勾拳。
這記重拳在山西擊出，絕不是偶然的。
山西地處黃土高原的東部，同蒲路縱貫南北，正太路橫亙東西，是華北與西北、大漠與中原的要衝。素為兵家必爭之地，曆史上，自漢、唐乃至宋、明，北方遊牧民族入侵中原，山西必首當其衝。
毛澤東早就看好山西，紅軍東征時他就強調“在山西戰勝敵人，造成抗日根據地，把山西與陝北聯係起來”，“山西的經營是必不可少的，因為沒有山西即不能設想同日帝進行大規模作戰。”
抗戰爆發後，山西果然成為華北全局的戰略樞紐。日軍以重兵進攻山西，除了攫取山西蘊藏的煤、鐵、鹽、棉、糧等戰略資源之外，不僅能割裂西北與華北聯係，而且還能從側後包抄國軍固守的河北防線。共產黨為了堅持華北敵後持久抗戰，也必須以山西為立足點和出發點，從東部屏障大本營陝甘寧邊區，依托山西發展察、綏、冀、魯和豫北，因此毛澤東在七七事變十天之內連派周小舟、彭雪楓兩員大將持親筆信或專電，赴太原麵謁閻錫山。
如何在山西開拓局麵，毛澤東在洛川會議上力主山地遊擊戰，用遊擊戰鬥配合友軍作戰。主要是考慮到蔣介石隻給共產黨三個師的編製四萬多人，如果進行正規戰，可能在一個或幾個戰鬥中即被消耗掉，國民黨不會補充，而且也不會允許組織新部隊。如果在集中兵力打仗和發動群眾建設根據地之間做出抉擇的話，毛澤東無疑堅定地主張後者。
但是，軍內相當部分高級將領認為，在敵目前進攻的情況下，軍隊應以作戰滅敵為主要任務。林彪在給延安的電報中甚至提出，以115師兩個多旅的兵力協同友軍作戰，而“暫不應以做群眾工作為中心”，因為“目前全國軍民正在看我軍直接參戰，如我參戰兵力太少，則有失眾望”，“目前須以打仗、捉俘虜，來提高軍民抗戰信心，提高黨與紅軍威信。”
聶榮臻讚同林彪方案，他說平型關之戰不是打不打的問題，而是要考慮怎樣打得好的問題。這是八路軍同日本侵略軍的第一次交鋒，全國人民都在看著八路軍，這個仗必須打好，打出八路軍的威風來，振奮全國人民的抗日情緒。
毛澤東雖然同意林彪將一個旅暫時集中打仗，但同時指出“如許久還無機可尋時，仍以適時把中心轉向群眾工作為宜”。
9月25日，就在平型關戰役即將打響時刻，毛澤東給八路軍總部電報中還要求“在晉東北紅軍全部暫時按兵不動，隱蔽目標，不去驚動敵人”，“目前紅軍不宜過早暴露。引起敵人注意，那是不利的。暫時把我軍兵力一概隱蔽並養精蓄銳，待必要條件具備時實行”。
此時的毛澤東正在構思一種新的戰略，一種比平型關伏擊戰更為壯觀的戰略，這就是以太原和石家莊為誘餌，誘使日軍南下，趁其後方空虛之際，由朱德指揮115師及國軍一部，從靈石和淶源之間向北突擊，占領靈丘、淶源、廣靈、蔚縣，然後向日軍側後舉行大規模的襲擊戰。
可惜林彪在八路軍總部的支持下已經在平型關動手，毛澤東的新戰略已經無法實現了。
平型關的勝利給毛澤東提供了全新的視角，適時調整了戰略布局。
9月26日，即平型關大捷的第二天，毛澤東在致八路軍總部並告115師的電報中，不僅欣然“慶祝我軍第一個勝利”，同時也對八路軍作戰方針作了新的表述：“根本方針是爭取群眾，組織群眾的遊擊戰。在這個總方針下，實行有條件的集中作戰。”此後，“山地遊擊戰”逐漸發展為“獨立自主的遊擊戰和運動戰”，在《論持久戰》定型為“基本的是遊擊戰，但不放鬆有利條件下的運動戰”。
八路軍基本戰略戰術的改變，顯然與平型關大捷有著直接的關係。
平型關大捷另一個重要作用，就是迅速突破蔣介石將八路軍作戰範圍僅限於晉東北的限製，隨後毛澤東又投下了兩顆重要棋子：以管涔山脈為依托的晉西北投下了賀龍的120師，以太嶽山脈為依托的晉南投下了劉伯承的129師，他們與依托恒山、五台山區的晉東北115師三足鼎立，互為依托，成為共產黨領導的敵後遊擊戰爭的重要戰略支點。