阎锡山的会议室墙壁上，并排挂着孙中山、蒋介石、毛泽东、朱德、阎锡山的画像。阎锡山介绍了敌我态势：原设想日军主力坂垣师团进攻的箭头是指向大同，故将大军集结于雁北。不料坂垣在攻占广灵后，直趋灵丘，这时才发现，坂垣系循其年前借口到山西旅行时勘察的路线，进攻平型关，抄击雁门关的后方。加以天镇之溃，大同不得不弃守，阎锡山遂不得不将主力转移至平型关方面，准备与日军一战。
阎锡山拿出了他筹划的方案，布置一个口袋阵，以孙楚之第33军(晋绥军)及高桂滋之17军(西北军)布防于平型关团城口南北线上，以王靖国(晋绥军)之19军等守雁门关一带阵地，以傅作义指挥两个军展开于繁峙以北，为围歼敌人的主阵地，以陈长捷之预备军(晋绥军)在繁峙沙河一带选择地形，构成口袋底。要求八路军与高桂滋军共同防守平型关。
周恩来表示同意阎锡山的计划，同时指出，八路军将发挥特长，运用运动战与游击战的结合，配合友军围歼日军。彭德怀具体提出，以友军坚守平型关正面，八路军115师出五台、灵丘、蔚县地区，隐蔽集结于敌前进道路的侧面，从敌侧后夹击进攻平型关之敌；八路军120师则位于晋西北地区，待机侧击进攻雁门关之敌。阎锡山颔首，连表同意。
9月19日，115师劳师远至，即奉总部命越五台、出长城，于平型关西之大营镇集结待命。21日，朱德、任弼时、左权率总部抵太原，中共中央军委前方军分会立即举行会议。会议讨论山西战局及八路军的作战计划，大家一致同意彭德怀关于配合友军侧击平型关敌，争取打胜仗，鼓舞士气和民心的意见。23日，总部进抵五台之南茹村。当日，朱、彭下令115师，选择地形，进入伏击状态，相机出击。
24日，115师师长林彪、副师长聂荣臻，亲自指挥所部343旅之688团和686团，在平型关外到东河南村间十几里长的沟道东北山地设伏。25日晨，向开进沟道的日军坂垣师团21联队主力及辎重部队发起突袭，以勇敢顽强的近战肉搏，歼灭日军1000余人，缴获大批军械物资。
自抗战以来，日军在华北横冲直撞，不可一世，宣扬“皇军不可战胜”，至此，遭到八路军的痛击。英国路透社报道说：“日军以前没有与中国有名的红军作战，现在碰上了，就不容易占便宜了。”
据当时任预备第1军军长的陈长捷回忆，八路军总部派到山西孙楚部联络的高级参谋，曾把115师抄袭平型关敌后的情报通知孙楚。望友军从正面出击已进入关隘险区的敌军前锋，收围歼坂垣师团之效。但该守军认为八路军出击敌后，配合作战围歼敌人是属空想；加以山西军和中央军互不信任，相互观望，并未积极出战。及至八路军创造了辉煌战绩，国民党爱国将士深受鼓舞，亦奋起击敌。阎锡山先对八路军的机动战术将信将疑，未坚决下令配合，这时方大骂放弃团城口的部队“破坏大局”，下令傅作义接替孙楚指挥平型关方面的作战。曾以坚持绥远抗战而闻名的傅作义，得知国民党各派系将领不肯协力，以私愤败坏战机，叹息不已，急令所部驰援平型关，115师继续配合袭击敌后，将日军精锐之坂垣师团阻于平型关下。日军第一次记载在华北战场上“第五师团有力之一部”在内长城附近“陷于苦战之中”。