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战前，685团经过了精心的准备。在平型关战斗结束后的10月12日，团长杨得志和政委陈正湘给上级的详细报告中写道：
“当日晚（即24日晚）旅长根据当时：
敌情：敌在东西跑池及老爷庙一带沟里汽车路一线至少有三个旅团的兵力，由于在南口以后均未碰到钉子及友军的节节退让，无人制止该敌骄傲自大，根本没有土工作业，对警戒更为疏忽，因此我团：
任务：在拂晓前赶至蔡家沟白崖一带集结待命。
团受领任务后，遂于25日3时许出动，到达蔡家沟已系拂晓五时三十分左右，部队即在蔡家沟白崖台一带集结，配合友军消灭由灵邱县进攻平型关之敌。
决心：以一个营占领关沟以北之高地，箝制东跑池与新庄，突击，以消灭新庄之敌进攻，另以一个营沿马路两旁向新庄突击，以消灭新庄之敌为目的，以便求得战局的开展。
处置：即令二营全部占领关沟以北之高地，由东南向西北攻击前进，并令第一营及第三营之一部，由马路两旁向新庄猛烈突击以便达成上述目的。”
当敌人进入伏击地域后，第685团给予迎头截击，首先打乱了敌军的队形。敌人清醒过来，拼命地想占领制高点。团长杨得志立即派通信员向各营传达命令：“附近的制高点一个也不准鬼子占领！”这时，刘正已指挥一营把公路上的敌人切成了几段。他接到团长的命令后，马上指挥该营的第1和第3连向公路边上的两个山头冲去。山沟里的日本人也在往山上爬，可是不等他们爬上去，迅速登上山头的第1营的两个连队反冲下去，一顿猛砸猛打，把这群日军的大部给报销了。这个营的第4连行动稍慢一步，被日军抢先占了山头。连长在向山头冲锋时负了伤，1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，将日军重新逼回沟底。
正当685团同敌人反复争夺制高点时，两架敌机顺着公路来回盘旋。但双方交织在一起，敌机无法扫射和投弹，只好飞走。
最激烈的白刃战斗在685团2营和3营的阵地上展开。2营5连连长曾贤生，外号叫“猛子”。战斗打响前，他就鼓动部队说，“靠我们近战夜战的光荣传统，用手榴弹、刺刀和鬼子干，让他们死也不能死囫囵了。”他自己在作战中也真是够“猛”的，发起冲锋后，他率先向敌人突击。20分钟内，全连用手榴弹炸毁了20多辆汽车。在白刃格斗中，他一个人刺死了10多个敌人。他身上到处是伤是血，一群日军向他逼近，他就拉响了仅剩下的一颗手榴弹。与敌人同归于尽。这个连的指导员身负重伤，依然指挥部队；排长牺牲了，班长顶替；班长牺牲了，老战士接上指挥战斗。就这样，前仆后继。打到最后，全连只剩30多人，却仍然顽强地与敌人战斗。3营的9连和10连，冲上公路后伤亡已经很大，但他们依然勇敢地与敌人拚杀，以一当十，没有子弹了就用刺刀，刺刀弯了，就用枪托，枪托断了就和敌人抱在一团扭打，或者是用石块将日本兵的脑壳砸碎。
第686团的团长是李天佑，副团长是杨勇。这个团是侧击的主力。据李天佑战后回忆，他们团也几乎与685团同时展开了攻击。战斗一开始，他们就把拥塞在公路上的敌人打得人仰马翻。正在战斗进行最为激烈的时候，一个参谋大声招呼李天佑：
“团长！团长！师指挥所通知，要你去一趟！”
“师首长要我去？好。”
当时115师有两个指挥所，林彪负责一个，聂荣臻负责一个。李天佑去的是林彪的指挥所。这个指挥所就在686团右后侧的山坡上，距离有一里路的样子。李天佑不知有什么事情，就一路跑步过去。到师指挥所一看，林彪等人都在，气氛也不是很紧张，李天佑就放心一些。林彪对李天佑说：沉着些。敌人比较多，比较强，战斗不会马上就结束的。然后又指着硝烟滚滚的战场，说：看到了吗？敌人很顽强。
顺着林彪的手指方向望去，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。随后，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。拿下这个制高点，我们就可以居高临下，把敌人消灭在沟里。
“看！有几个鬼子正往老爷庙爬呢！”李天佑是有些着急了。
“是啊！你们的动作要快，慢了是不行的！”
“明白了！”
“好，去吧，要狠狠地打！”
李天佑回到团里，战斗更加激烈了，他向其他同志传达了师长的指示。随后，为了加强指挥，保证战斗的胜利。除团长李天佑外，团里的其他几位领导都下到营里去。李天佑又命令右侧山上的3营向老爷庙冲击。
山谷中，杀声震天。八路军指战员勇猛地向公路冲击。但敌人终究是凶狠的，而且枪法也很准。敌人不顾伤亡，利用汽车和沟坎顽抗，机枪打得嘎嘎地响。李天佑在望远镜中看到，八路军的火力压不住敌人的火力，冲上去的战士一个又一个地倒下去。但686团的战士们还是前仆后继地进行攻击。可日军确实很顽强，过了一会儿，一部分敌人已经占领了老爷庙，形势对686团十分不利。
对敌人的攻击继续进行，战士们接二连三地倒下。但无论何时，军人都意味着牺牲，特别是在这种紧急关头，就不能害怕牺牲。李天佑咬咬牙，再一次命令3营：
“3营长，不要怕伤亡！猛冲，一定要拿下老爷庙！”
“是！保证完成任务！”3营长周海宾坚定地回答。
“老李，指挥所里的事交给你，我跟3营一起上去。”刚刚回到团部的686团副团长杨勇对李天佑说，随后便与3营一起向老爷庙的方向冲去。
随后，李天佑又组织侧翼连队加紧攻击，吸引敌人的火力，以支援3营的冲锋。
山沟里硝烟弥漫，响声震耳欲聋。3营的指战员们钻进烟雾里，往前跑，往前爬，往前滚，终于，冲上公路，同敌人展开白刃格斗。只见枪托上下飞舞，大刀闪着寒光。战士们面对强敌毫不畏惧，奋勇拚杀。
在3营向老爷庙敌人发动进攻的同时，李天佑又命令12连副连长王培根，带领一个排抢占东面公路拐弯处的小土地庙，控制有利位置，打击后面跟进的日军大车队。
王培根带着12连3排冲过去，占领了那个小土地庙，截住了老爷庙至兴庄的80多辆大车。
686团的战斗在继续进行，有人告诉李天佑，3营的伤亡很大，冲上公路后，9连的干部差不多打光了，全连只剩下10多个人。李天佑当即打电话问3营长：
“你们怎么样？还能打吗？”
“保证完成任务！”3营长还是那句话。
在战斗中，没有一个干部在报告时强调伤亡。那年月，部队的干部、战士最怕的就是没有仗可打。
日本人作战虽然非常顽强，但他们似乎不大懂山地作战的特点，除了用一小股兵力抢占老爷庙外，其他大部分敌人始终挤在公路上被动挨打。686团的部分兵力就冲过公路，直奔公路西侧的老爷庙。这样，在2营的积极支援下，3营终于占领了老爷庙这个制高点。
可是就在这时，杨勇突然感到一股巨大力量向他袭来，把他冲倒在地。他想爬起来，可左臂怎么也不听使唤了。身后的通信员惊叫道：“政委，你挂花了！”“别喊了，这点小伤算什么。”杨勇对通信员说道。然后卫生员过来给杨勇简单地包扎一下，他又站在指挥位置上。这是他参加革命以来第三次受伤。
占领了老爷庙后，686团从公路两侧居高临下对敌人进行打击，打得敌人无处躲藏。这时，敌人的指挥官才猛醒过来，发现了自己战术上的失误，马上挥刀喊叫，指挥部队争夺老爷庙制高点。但是，由于双方处于近战胶着状态，敌人的大炮、快速骑兵全都失去了作用，火力优势就发挥不出来了，他们只有穿着皮鞋的步兵成群地往上爬。八路军居高临下，对日军进行打击。
敌人冲上来，马上就垮下去。再冲上来，又垮下去。
敌人一次又一次进行冲击，在老爷庙下面集结的日军越来越多，足有五六百人，这时敌人的飞机也来凑热闹，低空盘旋着，寻找机会。但交战双方靠得很近，敌机不敢轻易投弹。
战斗进行到下午1时，687团从后面攻上来，敌人的后尾顿时乱了。原来，第687团将敌后尾部队分割包围于蔡家峪和西沟村地区，并抢占韩家湾北侧高地，切断了敌人的退路。被分割的敌人企图向北逃窜，但被687团歼灭于蔡家峪东北。随后，687团转而南下配合343旅进行战斗。林彪意识到进行全面攻击的时机到了，于是命令各部队立即发起攻击。占据公路两侧的部队迅速发起了冲击，很快就把老爷庙与兴庄之间的敌人消灭在山沟里。
在歼灭老爷庙和小寨村之敌的过程中，为解救被围的同伙，先期进占东跑池之敌一部回援，又被我第685团所阻。敌师团长坂垣急令其在蔚县、涞源的部队向平型关增援，但被115师独立团、骑兵营阻击于灵丘以北和以东地区，并在灵丘以东的腰站毙伤其300余人。被围于小寨村至老爷庙之敌，在6架飞机掩护下，再次猛攻老爷庙及附近高地，也未能得逞。第686团遂集中全力，在两翼友邻部队协同下，将被围之敌歼灭。至当日13时，战斗胜利结束。
黄昏，115师师部命令第343旅向东跑池的日军展开攻击。在东跑池约有2000多名敌人，控制着东跑池高地，这股敌人原是国民党晋绥军出击的目标。但是，国民党军却没有按预定的协同计划配合八路军作战，致使日军敢于集中力量向八路军侧翼攻击，企图为老爷庙和小寨村的敌人解围。在八路军消灭了上述被围之敌、开始攻击东跑池之敌时，国民党晋绥军却又放弃团城口阵地，使敌人夺路而逃，丧失了取得更大战果的机会。
在这次作战中，八路军115师歼灭了日军精锐第5师团第21旅团共1000余人，缴获步枪1000余支、机枪20多挺，击毁汽车100余辆、马车200余辆，取得了抗战以来第一个大胜仗。打破了“大日本皇军不可战胜”的神话，给企图在几个月内灭亡中国的日军一个迎头痛击。它极大地鼓舞了中国军民的抗日斗志，激发了中国人民的抗日热情，也增强了八路军战胜日本侵略者的信心。
平型关战役之后，蒋介石也给八路军发来贺电。
说长道短话日军
从北伐到长征的10年中，打了数不清的仗。但在平型关，林彪是第一次与日本人作战。这一仗虽然只歼敌1000多人，同林彪过去的战绩相比，这根本就是小打小闹。但林彪的历史却紧紧地与平型关连在一起，好多人一提起林彪，就马上想到平型关，一提起平型关战役，马上就想到了林彪指挥的115师。平型关也因为115师在这里打了一仗而名扬天下。长城上的关隘很多，除山海关和居庸关以外，可能就数平型关的知名度最高了。
平型关战斗只能算是一个小仗。它与后来李宗仁指挥的台儿庄之战和杜聿明指挥的昆仑关之战相比，都不属于一个级别。但它在中国人的心目中，却占有不可替代的地位。究其原因，主要是，平型关之战是抗日战争爆发以来日军遭到的第一次重大打击。平型关战斗的意义，在于它取得了中国全面抗战以来的“零的突破”。
林彪在平型关战斗结束后，于10月17日之前撰写了《平型关战斗的经验》一文。写这一总结的目的，是为了向其他八路军部队提供值得借鉴的经验和需要吸取的教训。在总结中，林彪指出了日军作战的缺点和长处。他写道：
“敌人实有许多弱点可为我乘。但敌人确是有战斗力的，也可以说，我们过去从北伐到苏维埃战争中还不曾碰过这样强的敌人。我所说的强，是说他们步兵也有战斗力，能各自为战，虽打败负伤了亦有不肯缴枪的。战后只见战场上敌人尸骸遍野，却捉不着活的。敌人射击的准确，运动的隐蔽，部队的掌握，都颇见长。对此种敌人作战，如稍存轻敌观念，作浮躁行动，必易受损失。我们的部队仍不善作疏散队形之作战，特别是把敌人打坍（原件如此）后，大家拢在一团，喧嚷‘老乡，缴枪呀！’——其实对日本人喊‘老乡缴枪’，不但他们不懂，而且他们也不是老乡——这种时候，伤兵往往很多。在‘抗大’的军事教育中，特别要教育干部了解正规战斗中的战斗队形之运用。”
在平型关战斗中所遇到的情况，与林彪所讲的差不多。当时，战斗开始后，日军被突如其来的袭击打晕了，纷纷藏到汽车底下。八路军的战士们还不懂得烧毁敌人的汽车，让敌人失去掩蔽物，还以为日军和国民党军队一样，打狠了就会缴枪。他们就停止了射击，向躲在汽车底下的敌人喊话：
“老乡，缴枪！”
“缴枪不杀！优待俘虏！”
然而，眼前的敌人不仅不懂中国话，而且还是一群经过法西斯军国主义训练的，并长期受“武士道”精神熏陶的人。结果，敌人不但没有缴枪，反而对前去喊话的八路军战士进行射击，许多战士因为缺乏对日本侵略军作战的经验，反被垂死的敌人给杀伤了。
当时686团1营的一名电话员，正沿着公路查线，发现汽车旁躺着一个半死的日本兵，他跑上去对那个敌兵说：“缴枪不杀，优待俘虏！”还没等他说完，那家伙扬起手就是一刺刀，刺进了电话员的胸部。还有的战士想把负伤的敌人背回来，结果自己的耳朵却被负伤的敌人咬掉了。有的战士去给哼哼呀呀的敌人裹伤，反被打伤了。
685团和686团都同样遇到了这样的情况，很多战士被负伤的敌人打死打伤。据战后统计，在115师的伤亡中，这一项占了相当大的比例。
敌人不肯投降，其结果是，115师虽然打了胜仗，但却没有抓到一个俘虏。
日军之所以死不投降，拼死顽抗，原因是多方面的。其中之一是坂垣的第五师团长期驻在中国，从骨头里就没有把中国军队放在眼里。对国民党政府军尚且如此，更何况被他们称作为“匪”的八路军。坂垣征四郎极为崇尚武士道，他的部下大多数也都愿意作武士道精神的牺牲品。他们不想让连自己都瞧不起的军队抓住，否则他们会认为是贞节不保，是自己的奇耻大辱。这样，“不成功则成仁”就成了他们之中大多数人的选择。除了这个原因之外，林彪在他的总结中还指出了另外一点：
“日兵之死不肯缴枪，一来因日本武士道的教育、法西斯教育，同时也因他们对中国军民太残暴，恐怕中国人报复。但最主要的，是过去华北军队对日军俘虏政策不正确，采用野蛮的活埋、火烧、剖肚等办法。故我们今后须加紧日本士兵的日文日语的政治宣传与优待俘虏。”
在此次战斗中，日军的伤兵不但用武器继续顽抗，而且还经常徒手与八路军战士作战，他们用牙咬，用石头砸，用身体撞……不但不把自己的性命留给八路军，而且最为可惜的是，他们也不想把自己的武器和其他装备留给八路军。他们很多人都把自己手中的武器毁掉，或砸碎，或炸毁。从115师所取得的战果来看，成绩是不小的。但在平型关所遇到的敌人，包括一部分日军辎重队，掌握的各种装备和物资是不少的。如果不是日军毁掉了一部分，那么115师的战果还要大得多。
在对待俘虏的政策上，共产党历来都比国民党高明得多。在八路军改编之初，中央军委就颁布了“八路军的三大纪律、八项注意”。
三大纪律包括：1．实行抗日救国纲领；2．服从上级指挥；3．不拿人民一点东西。
八项注意包括：1．进出宣传；2．打扫清洁；3．说话和气；4．买卖公平；5．借物送还；6．损物赔偿；7．不乱屙屎；8．不杀敌（俘）兵。