日军的大举进攻，把国民党山西首脑阎锡山推到了风口浪尖上。作为山西的“土皇上”，他原本想凭借山西的地缘优势，谁也不得罪，稳坐“山西王”的宝座。但日本人得寸进尺，凶焰日涨，使苦心经营山西二十余年的阎锡山真正体会到了“国破家亡”的滋味。在全国人民奋起反侵略的呼声下，他感到“不抗日没法向老蒋交待，老百姓和共产党也不答应”！本着“一切为了存在”的处世原则，阎锡山终于选定了“联共抗日”的策略。也正是利用这个有利时机，中国共产党领导的工农红军紧急改编为八路军开赴山西抗日前线。

平型关战役是国民党第二战区拟定的“太原会战”计划的一部分，是抗日战争全面爆发后，在山西境内的第一次大规模的对日战斗。八路军和国民党中央军、晋绥军先后投入8个军近10万人，历时19天，在长达百余里的长城线上进行了大规模的抗击日军的战役。平型关战役,是抗日战争国共合作、共同御敌的一次成功范例。

面对日军对山西的大举进攻，国民党军队进行了层层阻击。天镇、高阳、盘山阻击战相继失利，9月12日广灵前哨战揭开了平型关战役的序幕。当天上午，日军向山西门户、河北蔚县暖泉镇进攻。晋绥军担任警戒的一个连拼死抵抗，全部阵亡。第33军军长孙楚令第73师师长刘奉滨星夜驰援。9月13日在蔚县东石门一线，近千名日军借炮火掩护向我军发起猛攻。营长张见勇率部猛烈还击，并奋不顾身冲出战壕与敌拼杀，阵地失而复得4次，张营长和一名连长阵亡。在紧急关头，团长吕超然亲率预备队1个连进行反击，不幸头部中弹牺牲。阵地上官兵见团长阵亡，怒不可遏，勇猛拼杀，毙敌百余名。由于敌人火力过猛，该团有千余名官兵阵亡。此时师长刘奉滨正在前线督战，为夺回阵地，他亲率4个步兵连组成的奋勇队，推着大刀片冲向敌人。他们前赴后继，纵横砍杀，刘师长受伤4处仍不下火线。奋勇队死伤过半，4名连长有3名阵亡，有的士兵被敌人扑倒后，拉响了身上的手榴弹……在火烧岭阵地，中国守军歼敌200余人后转入团城口防御……在灵丘北山防御中，我守军以阵亡营长1名、连长2名、伤亡500余人的代价毙敌400余人。

9月21日，日军向平型关晋绥军独8旅发起进攻，我守军居高临下给予迎头痛击。敌人用成排大炮向我轰击，又出动飞机百架，每30架一组轮番轰炸，并用坦克掩护步兵冲击。守军用一个营兵力组成刺杀队出击迎敌，在山坡上展开了白刃战。阵地经反复争夺，敌遗尸累累。守军伤亡巨大，三个团损失了一个团。623团1营500多人，只剩下148人，其中第1连、第2连全部阵亡。

防御团城口的中央军84师，9月20日由火烧岭阻击日军后撤到该地。9月22日，日军粟饭联队(一个联队相当一个团)在飞机大炮和坦克掩护下发起猛攻。502团团长艾捷三亲率步兵1连冲上前沿，以手榴弹猛砸敌人。艾团长腹部中弹，营长李荣光牺牲，战斗十分激烈，日军曾一度占领团城口周围的制高点，对团城口乃至平型关防线构成极大威胁。战区司令阎锡山闻讯大惊，命令悬赏万元迅速夺回高地。501团团长吕晓韬从全团挑选了50名精壮士兵组成奋勇队进行反击。面对万元赏金，奋勇队员们毫无兴趣，队员们大声说：“团长，打仗就是拼命，命都不要了，谁还在乎那一万两万的赏金!要是‘光荣’了，记住我们的名字就行了。”在吕团长的指挥下，奋勇队冲上阵地与敌人殊死肉搏，以阵亡十几名士兵的代价夺回了高地。22日夜，日军一个旅团(一个旅团相当一个师)在40辆坦克和装甲车掩护下向平型关、团城口猛攻。国民党独8旅、第84师出击应战将其击退。23日、24日两天日军加强攻势，我守军奋力拒敌，有时为争夺一个制高点，双方肉搏多次，战况十分惨烈。第17军军长高桂滋鉴于侧后受敌，多次向阎锡山求援无果，只得下令撤退。25日凌晨，日军占领了团城口、鹞子涧、东跑池一线，将平型关防线撕开了一条2公里的口子，这也给我八路军115师25日的平型关战斗制造了很大的麻烦。