片刻，师部复电：你们要坚决阻击当面之敌。不得放其西进。平型关那里的敌人已进入我伏击圈，战斗即将开始。杨成武一阵兴奋：好啊，只要我们死死顶住这股敌人，平型关的胜利就有把握了。林彪刚下达完给杨成武的电令，六八六团的参谋气喘吁吁地跑来报告：“师长，敌人全进沟了，团长让我来报告。”综合各伏击部队的报告，林彪判断时机已到，果断下达命令：“立即开火”！他身旁的聂荣臻看了看表，记下了当时的时间：清晨7点整。刹那间，寂静的山冈怒吼起来，机枪、步枪、手榴弹、迫击炮一齐发射，把拥塞在公路上的敌人打得人仰马翻。前面的汽车中弹起火，后面的车辆互相撞在一起。日军士兵纷纷跳下汽车，钻进车底躲避子弹。
林彪放下望远镜：“命令杨得志、李天佑跑步过来！”六八五团的阵地近，杨得志首先赶到。林彪说“：敌人还没清醒过来，赶快冲锋，抢占公路对面的制高点！”
“是！”杨得志一把揪下军帽，转身跑步离去。
日军从最初的惊慌中平静下来，开始组织还击。一个指挥官挥舞着指挥刀，命令汽车底下的士兵出来，抢占公路两侧的制高点。杨得志立即派通讯员向各营传达命令：“附近的制高点一个也不准鬼子占领！”这时，刘营长已指挥一营把公路上的敌人切成了几段。接到杨得志的命令，他马上指挥一、三连，向公路边的两个山头冲去。山沟里的日军也在往山上爬，可是不等他们爬上去，迅速登上山头的一、三连紧接着又反冲下去，一顿猛杀猛打，把这群敌人消灭了。一营四连行动稍慢一步，被敌人先占了山头。连长在冲锋中负了伤，一排长就主动代替指挥，他用两面夹击的办法，很快把山头夺了回来，将敌人逼回沟底并全部消灭。
在二、三营的阵地上，正在展开激烈的白刃格斗。二营五连连长曾贤生，外号“猛子”，发起冲锋后，他率先向敌人突击，一个人刺死十几个鬼子。他身上到处是伤、是血，一群鬼子在向他逼近，他在最后关头拉响了仅有的一颗手榴弹，与敌人同归于尽。指导员身负重伤，依然指挥部队。排长牺牲了，班长顶替；班长牺牲了，战士接上指挥。就这样，前仆后继，打到最后，五连只剩下30多位勇士，却仍然顽强地与敌人拼杀！梁兴初指挥的三营的九连和十连，冲上公路后伤亡已经很大，但他们以一当十，没有子弹了就用刺刀，刺刀断了就用枪托，枪托折了就和敌人抱成一团扭打。战斗到最后，两个连队的官兵眼睛都杀红了，尽管伤亡都超过了半数，战斗情绪却依然旺盛。
三八六团的指挥所离师指挥所有里把路远。李天佑从谷子地里一口气跑了过来。林彪看他跑得气喘嘘嘘的，便说：“沉着些，敌人比较多，比较强，战斗不会马上结束的。”然后，林彪又指着战场对他说，“看到了吧，敌人很顽强。”
李天佑顺着林彪手指的方向看去，公路上的敌人正在利用汽车顽抗，并组织兵力抢占有利地形。
林彪接着说：“你们一定要冲下公路，把敌人切成几段，并以一个营抢占老爷庙。拿下了这个制高点，我们就可以居高临下，把敌人消灭在沟里！”“明白了！”“好，去吧，要狠狠地打！”
李天佑跑回团指挥所，马上命令右侧山上的三营向老爷庙冲击。战士们在副团长杨勇和三营营长的率领下，勇猛地向公路冲去，同沟底的敌人展开了激烈的厮杀。只见枪托飞舞，马刀闪光，吼杀声、爆炸声搅成一团。经过半小时肉搏，敌人支持不住了，三营伤亡也很大，九连只剩下十几个战士，班以上干部几乎全部阵亡，杨勇也负伤了。三营营长带伤指挥官兵继续往公路北侧的老爷庙冲锋。李天佑将团指挥所移到公路以北的一个山坡上，靠前指挥作战。在一、二营的掩护下，三营终于夺取了老爷庙制高点。
林彪透过硝烟始终盯住几个主要的制高点。看到李天佑拿下了老爷庙，林彪松了一口气，将望远镜交给身边的参谋，朝电台走去：“独立团有战报来吗？”
一直守在电台旁的聂荣臻轻轻摇了摇头：“没有。敌人有两个联队，兵力是他们的两倍，更甭提火力悬殊了。不过，老一团能打硬仗，能顶住。”林彪点了点头：“杨成武是搞政治工作出身的，部队的士气不用担心，打这种仗，关键靠一股气——勇气！两强相逢勇者胜！”
林彪和聂荣臻说得不错，杨成武的独立团的确能打。
为夺占驿马岭隘口，担任正面强攻的一连在连长张德仁的带领下，向敌群猛冲。几分钟后，下到公路上的敌人被他们消灭了。张德仁从敌尸手里换了一支枪，擦去溅到脸上的血，喉咙沙哑地喊了一声：“上啊！”又朝隘口冲去。只见他像松鼠似的，又蹦又跳，紧随着溃退之敌，使敌人无法用火力阻拦。不料，他冲到半山腰时，隘口两翼突然喷出七八条机枪火舌，张德仁身子晃了几晃，便和前面的两个日本兵一同摔倒了。他身后的战士也纷纷中弹，顺着山坡滚了下来。杨成武心如刀剜，一连今天损失大了，牺牲者当中有不少是红军战士啊！
这时，西南方向传来了炸雷似的山炮轰鸣，杨成武寻声望去，不禁喜道：“好哇，平型关战斗开始了！”紧接着，师部电告他们：敌千余人遭我伏击，战斗进展顺利。你部须坚决阻击敌援，直至师主力战斗胜利。
平型关的炮声使敌人有些惊慌，火力顿时弱了。杨成武立刻命令司号员，让二连从右翼夺占隘口。二连一排的麻排长率领十几个战士从乱蓬蓬的灌木丛中攀过一段悬崖，悄悄爬到了隘口旁的一块巨石后面，探身一望，原来是敌人的指挥部。山洼里密密麻麻支满了帐篷，几百个日本兵正一边吃着干粮一边喝水，准备出击。麻排长一声令下，大家一声不吭地跳进隘口，扑入敌群。没等敌人反应过来，十几枚手榴弹就落到了他们头上。手榴弹打光了，战士们就和敌人拼刺刀、肉搏。敌人伤亡惨重，麻排长他们也终因寡不敌众，陷入了敌人的疯狂射击中……一排勇猛突击虽然没拿下隘口，却大量杀伤了敌人，使其心惊胆战。他们搞不清楚对面的八路军有多少部队，只好三面防御，不敢正面冲击了。
就在麻排长他们与隘口敌人激战的时候，副营长袁升平和教导员张文松率领一部分队伍，占领了南面比隘口更高的山头。那山头上还完整地保留着阎锡山晋军在半月前挖掘的堑壕——这些友军虽然挖了堑壕，却一弹未放地撤走了，今天正好为我所用。
袁升平跳进堑壕，举起望远镜观察敌情。张文松跟进来说“让我看看。”
“注意隐蔽噢！”“没事儿。”张文松举起望远镜一看，不由地低声惊叫，“嗬，最近的敌人不到50米，好打！”恰在这时，从小树林飞来一颗子弹，正打中张文松的胸膛，他“嗯”
了一声，仰面倒在袁升平怀里，当场牺牲了。袁升平愤怒得发抖，他喊通信员把张文松的遗体背下去，接着就端起机枪，朝小树林后面的敌人猛扫……
下午4时，师部发来电报：歼灭日军坂垣师团第二十一旅团1000多人。你们独立团已胜利完成打援任务。
杨成武获讯，欣喜若狂，立即派出团预备队插到隘口东面，从敌人后路打上去。敌人怕自己也陷入平型关那样的绝境，夺路逃向涞源城。杨成武率部乘胜追击，一直追杀到涞源城下。敌人又从涞源东撤，八路军随即光复涞源城。
李天佑指挥三营夺占了老爷庙之后，日军不甘心失败，五六百名穿着皮鞋的步兵拥挤着，一次次地对老爷庙反扑。这时，五六架敌机飞来助战，贴着山头盘旋，一位参谋有点儿沉不住气，喊着“：团长隐蔽，飞机！”
李天佑告诉他：“不要怕，敌人靠近了我们，它不敢扔炸弹！”
打到下午1点多，东北面的六八七团攻了上来，与六八六、六八五团会合，干净、彻底地消灭了10里长沟里的日军。平型关东北面的日军被歼，从另一路攻击平型关的日军惊恐万状，向原定为国民党军阎锡山部队阻击阵地的东跑池方向突围。奇怪的是，原先表示要以8个团以上兵力出击的国民党军阎锡山部队，始终袖手旁观，按兵不动。林彪和聂荣臻曾派人前去联络，请他们协同作战，但他们仍然隔岸观火，无动于衷。林彪和聂荣臻遂令部分部队打扫战场，其余部队乘胜向东跑池之敌发起攻击。黄昏时分，晋军主动弃守平型关西北面的团城口阵地，东跑池的敌军向北逃窜。林彪和聂荣臻命令部队撤出战斗，立即转移。
血战后的10里长沟，日军人仰马翻，尸体狼藉。燃烧的汽车，遗弃的武器，散落的文件、作战地图，写有“武运长久”字样的日本军旗及各种罐头食品遍地皆是，铺满沟底。
聂荣臻走下山谷察看战果。突然，从离聂荣臻不远的一个山洞里传出几声沉闷的枪声，警卫员阮寿贤急忙拉着聂荣臻闪到隐蔽处。原来，一个日本兵钻进了山洞，不但不投降，还向外打冷枪。几个战士朝洞里射击，总也打不着他。聂荣臻气愤地说：“丢手榴弹，炸死他！”随着一颗手榴弹在洞内爆炸，山洞里沉寂了。
聂荣臻发现了一个很严重的问题：八路军部队对日军的武士道精神估计不足。他在后来回忆道：“那时，我们的战士还把日本侵略军当成内战时期的敌人，以为打狠了就会缴枪，岂不知他们都经过长期训练，受麻醉很深，满脑袋装的都是怎样占领中国，所以即使剩下一个人，也很‘顽强’。”李天佑回忆说：六八六团一营的一个电话员正沿着公路查线，看见汽车旁躺着一个半死的敌兵，他跑上去对那个敌兵说：“缴枪不杀，优待俘虏！”没等他说完，那家伙扬手一刀，刺进了电话员的胸部。“有的同志想把负了重伤的敌兵背回来，结果自己的耳朵被咬掉了。更有的战士去给哼哼呀呀的敌兵裹伤，结果反被打伤了”。
杨成武也写道：“抗战初期的日军，大都经过严格训练。他们战术熟练，枪法准确，野战服与秋庄稼颜色一致，便于隐蔽，攻击力强，加上国民党反动派的不抵抗主义，使他们侵入华北以来，攻城略地，长驱直入，和国民党军队打过几仗，也轻易地取胜了，因而傲气正盛，枪一响，敢打敢拼，十分疯狂。而我们八路军呢，出师以来，士气正旺，满怀民族仇恨，正憋足了劲要给敌人一个痛击。两军交手，构成了一场浴血恶战。日本士兵与国民党兵截然不同。国内革命战争期间，我们只要冲到国民党士兵面前，大喝一声：‘缴枪！’他们多数会把枪一扔，伏地投降，没几个拼死顽抗的。而今天，我们冲到日本兵面前，他们却主动跳出来，端着又长又重的三八大盖枪和我们拼刺，刺杀技术强不说，负伤了也不投降，抱住我们的战士又掐又咬，使我们不得不把他们一个个消灭，以致增加了我们取胜的代价。”
的确，这么大规模的伏击战没有抓到一个俘虏，这在红军的战史上尚无先例。1300多名日军（加上独立团歼灭的300多名）全部战死，无一投降，可见日军的顽抗到了何等地步。第一一五师在此战中也付出了血的代价：主力部队和独立团各阵亡200余人。
八路军以血肉之躯和英勇牺牲，粉碎了“日本皇军不可战胜”的神话，打出了中华民族的志气，打出了共产党和八路军的声威。