就当日军全部进入埋伏好的地区时，115师三个团同时发起冲锋，几千条枪同时向敌群开火。
战斗异常激烈，115师第685团给日军迎头痛击，歼其一部，封闭了日军难逃的道路；第687团将日军尾部分割包围在蔡家峪和西沟村地界，并将其歼灭，抢占韩家湾北侧高地，切断敌军退路；而第686团1营和2营与敌人开展白刃战。
日军非常难缠，虽受到猝不及防的攻击，但仍然能够趴在汽车轮子下拼死作战。激战中，敌军其中一部想凭借火力优势趁机抢占公路西侧高地，却被第686团2营抢先一步。
这下日军被四面围攻，无路可逃，但他们仍不罢手，想要从老爷庙打出一个缺口，展开疯狂反扑。幸而686团非常顽强，牢牢地控制着老爷庙及其以北的高地。
坂垣师团团长坂垣还想派援兵，被第685团死死挡住，坂垣只能眼睁睁看着21旅团被全部歼灭。
战斗从上午7点一直打到下午一点才全部结束，115师共歼敌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。
平型关最终获得大胜利，它成为了八路军抗日战争中的光辉时刻。
其实，平型关大捷之所以为后世所赞扬，不仅仅是因为浇灭了敌人的嚣张气焰，更是因为此战完全是八路军独立作战的成果，原本要正面攻击日军的国民党军队，在日军的猛烈攻击下，早已溃退。
这样的战役不宜再打了平型关的胜利，使全国抗日军民都充满了御敌信心，但*却说：“这样的战役不宜再打了。”*之所以这么说，是因为面对具有强大优势的敌军，八路军实在拼不起。
的确从结果来看，平型关大捷带来了不少好处，但从战役过程来看，战果其实并不理想。
从敌我伤亡数量上对比，我军伤亡情况并不比敌军少许多，八路军共歼灭日军1000余人，我方伤亡也将近1000人。
解放军报《平型关：出师抗日第一捷》一文中就明确写道：经过长达6个小时的战斗，115师也付出了伤亡600余人的代价，200多位战士长眠在晋北这块热土上。
而造成我军伤亡如此巨大的原因就是，我军的武器装备实在太差。
当时八路军的装备十分落后，如果硬拼只会造成更大伤亡，所以我军的指战员在战前准备上下足了功夫。考虑到日军一旦遭到我军伏击，就会凭借先进的交通工具溜走，所以，要想瓮中捉鳖，就必须破坏敌军的交通工具。
