抗日战争正面战场的中国军队虽然全力抵御，但不敌装备精良的日军，中国军队屡屡后撤，士气受到严重打击，而日军士气高涨。南口会战后，日军主力沿平汉线南下寻找在保定的中国主力决战。奉命防守侧翼的板垣征四郎联合日本关东军参谋长东条英机，违反日本大本营和华北方面军的战役规划，紧随败退的国民党军，自作主张向绥远（当时的塞北四省，包括今河北省大部及内蒙古南部等地）发起追击，把战场扩大到山西。
第二战区司令长官阎锡山判断，日军为运送部队、军火，展开机械化部队，发挥其优势，必然把锋芒指向大同。据此，他部署了大同会战计划，即置重兵于大同南北，坐等日军进攻。
9月上旬，东条纵队和伪蒙军沿平绥线直抵阳高城下。如果日军继续进攻，突破内长城，指向雁门关或者太原，整个第二战区抗战形势将一发不可收拾。至此，阎锡山部署的大同会战计划流产。雁门关一带兵力虽多而无用，平型关一带则兵力空虚。阎锡山被迫立即着手部署平型关会战。
1937年8月28日，阎锡山把行营设于雁门关下的岭口村一所窑洞，并同周恩来会商，制订了第二战区平型关会战计划。
平型关位于山西繁峙县东北边境，邻接灵丘县，西去雁门关115千米，南近河北平县界，地势险要。八路军115师师长林彪预判日军进军路线及视察相关地形后，指挥主力在平型关东北数十千米处设伏，并分出两部阻援，采取了“避强击弱”的战法。
9月24日，国民党的第6集团军送来“25日平型关出击计划”：以八个团兵力，西北出击，诱引日军第5师团主力从正面进攻，中国军队从两翼包围。25日晨，日军第5师团第21旅团的大批辎重车辆，沿灵丘至平型关公路西进。
由于平型关道路狭窄，当时又逢雨后路面泥泞，中国军队抓住战机猛烈进攻。日军用车辆辎重作掩体进行反击，派出一部分军队企图抢占公路西侧的“老爷庙”以掩护突围。不料中国军队迅速越过公路，抢先占领了“老爷庙”，与伏击部队两面攻击日军。被围日军向“老爷庙”反复猛烈攻击，中国军队顽强抵抗，最终歼灭进入伏击圈的全部日军。
平型关战役是全国抗战开始以来中国军队取得的第一个大胜仗。此次战役只用了一天的时间，却歼灭日军达一千余人，缴获轻重机枪、战车等数千及其他大批军用物资。