“八路军上来了！”的消息迅速传遍全中国。一九三七年八月二十二日，八路军第一一五师三四三旅作为先遣部队从陕西三原出发，该师第三四四旅和直属部队相继跟进，于韩城东渡黄河；第一二0师于九月三日从陕西富平出发，紧随第一一五师于韩城东渡黄河；第一二九师作为第二批出动部队称驻富平，并准备于九月三十日出发。九月二十一日，朱德、任弼时、左权、邓小平等率八路军总部进抵太原。
根据中共中央政治局洛川会议决议，八路军的基本任务是：创建抗日根据地，钳制与消耗敌人，配合友军作战，保存和扩大自己。战备方针是：独立自主的山地游击战。作战区域是：冀、察、晋、绥四省的交界地带。当时毛泽东的设想是：把八路军的三个师集中使用，放在恒山山脉之中以开辟根据地。但是，现在敌情发生了变化：平汉路和津浦路上的日军推进到了石家庄和德州一线，平绥路上的日军占领大同后正沿着同蒲路南下，其第五师团更是南下到了平型关附近。中国军队第二战区部队已全面退守至平型关、雁门关内长城一线。
中共中央决定，改变八路军集中配置恒山地域的原定部署，改成配置于山西的四角：第一二0师转至晋西北地区；第一一五师进入恒山山脉南段并准备逐渐南移太行山和太岳山方向；第一二九师进至以吕梁山为依托的晋西南地区。为了完成第二战区交代的作战任务，除命令第一二0师进至雁门关以西地区，侧击由大同南下的关东军察哈尔兵团以策应平型关外，八路军第一一五师还必须立即向平型关前进，迅速派出侦察分队侦察敌情和地形，准备投入作战。毛泽东曾明确说过，八路军“不打硬仗”，但是即将发动的平型关一战，却将是一场与日军面对面的硬仗。
日军板垣四郎的第五师团正向平型关直扑而来。平型关，位于晋北繁峙县的东北方向，自古为交通要冲。其西面是恒山，东面是太行山，两山之间纵贯一条大道，即蔚代公路。沿着这条公路，从蔚县以南的灵丘至平型关约三十公里。公路的两端地势较为平缓，只有小寨村至老爷庙一段地势险峻：两山夹着一条沟，沟深十至三十米，宽十至二十米，两侧陡壁如削—只要进入沟内，兵力和火力都难以展开，是个伏击歼敌的好战场。
此时，日军第五师团由浑源、灵丘和涞源分三路由东向西攻击，三路日军相距较远，攻击平型关的日军约为一个旅团的兵力。析垣征四郎深知平型关地势险要，因此在这个方向采取的是正面逼迫、侧翼强攻的战术，即用小部队抄小路插入平型关的侧后，以威胁正面阻击的中国军队。具体部署是：第二十一旅团旅团长三浦敏事率三个大队实施正面攻击，第二十一联队队长粟饭原秀率两个大队偷袭平型关侧后。
中国军队平型关地区作战方案为：正面主攻部队为第七十一师附新编第二师。第七十一师一个团自团城口至2141高地间沿着山麓向东再向南迂回，以团城口北面的蔡家峪、小寨为攻击目标；两个团由2141高地至西河口之间向东攻击，掩护团城口正面攻击部队的左侧，截断日军向北撤浑源之路，以平型关以北的王庄堡为攻击目标；一个团为预备队，由团城口附近前进。第十七军第八十四师固守平型关正面原阵地。独立第八旅以一部协助第七十一师攻击，以辛庄为攻击目标。八路军第一一五师担任敌后各地之攻击，以团城口以东的东河南至团城口以北的蔡家峪为攻击目标。
应该说，中国军队的作战计划是一个很不错的局部围歼计划，即正面高桂滋的第十七军第八十四师死守不退，同时确保平型关侧翼在我手中，等日军进入平型关后，由林彪的第一一五师和郭宗汾的第七十一师两面夹击，将进入险要地段内的日军全歼。其要点是：正面要守住，出击要迅猛，配合要默契，歼敌要果断。
二十三日晚上，八路军一一五师主力推进到平型关东南十五公里的冉庄地区。二十四日，林彪和副师长聂荣臻根据地形勘察结果，确定在平型关东北方向的关沟至东河南村之间长约十三公里的公路两侧设伏。午夜，第一一五师在黑暗中冒着倾盆大雨向平型关开进，拂晓前全部进入阵地。但是，就在第一一五师官兵向阵地前行之时，担任平型关正面阻击任务的第八十四师擅自放弃了阵地。防守平型关正面阵地团城口的第八十四师，始终承受着日军的强大攻势，残酷的阻击战几乎一直未停，以致军长兼师长高桂滋不断地求援。第八十四师由原属西北军的陕军一部演变而来，在历史渊源上与阎锡山的晋绥军没有太多的关系。
面对高桂滋一再请求增援的电报，阎锡山的将领们增援一事就是只说不做。国民党第六集团军副总司令孙楚坚持说，所有部队都“同样受到猛攻”，没有多余的兵力派出。为了堵住日军第五师团的攻击，第八十四师自二十二日起一直处于苦战中。尽管部队伤亡巨大却依然坚持着，就是因为每每听说阎锡山的援军就要抵达。可是打到第四天，援军依旧不见踪影。日军的攻击已经不分白天黑夜，大雨中，第八十四师官兵不得不下半身浸在泥水里作战。八十四师在全线数处被敌突破的情况下，弹尽援绝，被迫后撤。
无论真相如何，事实已经造成：当八路军第一一五师出击的时候，平型关的侧后阵地已经丢失，原计划与他们配合夹击日军的第七十一师出击道路被日军堵塞。二十五日拂晓，第七十一师按原计划出击，遭到日军猛烈炮火的拦截，日军居高临下地俯冲下来，将第七十一师压迫在了迷回、涧头的一侧—所谓“夹击围歼”的作战计划在八路军第一一五师出击之时已经成为泡影。但是，第一一五师还是准时出击了。