这时红军刚刚改编为第八路军，归入第二战区序列，也在向山西前线开进。115师于9月14日抵达平型关以南的大营镇待命。周恩来、朱德、彭德怀多次与第二战区司令长官阎锡山等人会谈，确定八路军不用于正面阵地防御，主要使用于敌军侧后进行游击战。根据这个作战原则，115师于9月20日向灵丘急进，22日从平型关南翼潜出，隐蔽于灵丘以南的太白山区。
9月22日，日军第5师团21旅团开始向平型关进攻，双方随即展开激战。根据日军进攻的情况，阎锡山在23日决定使用8个团的兵力，由内长城外侧公路以北地区向东、西跑池、小寨间迂回，侧击日军右侧背。同时电告八路军总司令朱德：我决歼平型关之敌，希电林师夹击敌之侧背。
