神机妙算将黄崖洞保卫战指挥得精确无比。雄踞山西省黎城县北境、太行山腹地险要之处的黄崖洞，设有八路军总部修械所，即黄崖洞兵工厂。从1939 年起，它成为华北抗日根据地创建最早、规模最大的兵工基地，在两平方公里的范围内，建有厂房12 栋，安装各种机器40 余部，年产武器弹药可装备16个团。为此，华北日军长官冈村宁次视黄崖洞兵工厂为心腹之患。
1941 年11 月初，日军三十六师团根据侵华日军华北司令部的指令，不断出动重兵，在飞机的掩护下向黄崖洞进攻。11月7日，占据黎城的日军2000 余人直接奔袭黄崖洞兵工厂。八路军总部对保卫黄崖洞兵工厂高度重视，将特务团和总部所能抽出的警卫部队全部投入战斗。在连以上干部的战前会议上，左权发出了"保卫我们的生命线"的号召。左权与特务团团长欧致富等人多次勘查地形，反复研究御敌方案。
11月8日上午，日军菖目直兴大队抵临黄崖洞外径直向南口袭来，结果在阵地外踏入我军布下的地雷区，被炸死百余人。日军连续3次用尸体铺路才通过雷区。翌日，后续日军集中几十门山炮对南口阵地轰击，同时出动千余步兵进行冲击。特务团第三营在左权亲自选择的火力点上，以8挺机枪从左右两侧形成交叉火力，日军冲上一拨便倒下一拨。猛攻了一天，伤亡惨重的日军变换进攻方法，以千余兵力继续强攻南口，另以3个大队从侧后方向左会山垭口迂进，企图对八路军形成腹背夹攻之势。左权早有所料，部署三八五旅4 个营扼守险要地段，把日军打了回去。日军要打下黄崖洞，只有南口一条路。打红了眼的日军在连续炮击中施放了燃烧弹和毒气弹，我军第三营几十个战士被烧伤或中毒阵亡。部分官兵在这种情形下产生了急躁情绪，要求主动反击。情况很快报告到左权那里，左权给欧致富打去电话：
"你马上赶到南口去，告诉三营千万不可离开工事反击，日军就是要引诱我们离开阵地。"11月13日清晨，战况发生重大变化。日军以十几门山炮轰击南口东侧悬崖跑马站的1416高地。这里是黄崖洞的"软肋"---因为地势非常险峻，兵力不够的八路军只在此布置了一个排。左权不知道的是，特务团一个姓陈的参谋叛变投敌，使日军知道跑马站高地是防守最为薄弱的部位，因而被日军选择为突破口。左权闻讯后立即接通欧致富的电话："除南口阵地不动，其余各个工事都只留下3个人，所有力量赶到跑马站高地，应对可能发生的变故。"左权预料得很准。就在当夜，日军从黎城开来援兵，增加了火炮，不停地轰击1416 高地。黎明时分，跑马站失守的战况报到左权那里，他的第一句话就是："不要慌，跑马站丢了也不要紧。"旋即，他连续口授了3 道命令："特务团除南口阵地，其余各连撤到第二道防线水窖口；电令陈锡联旅马上袭击黎城，夺城后不作停留，立即驰援黄崖洞；电令六七九团、七七二团和新一旅二团迅速增援过来，赴东崖底、赵沟村加固我方阵地。"日军在攻夺了跑马站阵地后，将陆续开上来的近3000 人分为4 路，妄图合围八路军主阵地水窖口。而日军的每一路部队行至中途，都遭到伏击，直到11 月16日，才好不容易进入了黄崖洞。可是日军看到的却是空厂房，所有机器设备已被转移。日军士兵无论走到哪儿，都要踏上地雷。日军在山上胆战心惊地过了一夜，得不到食物补给，只得在18 日清晨沮丧而返。然而，黄崖洞不好进也不好出，左权早已布置4 个团的兵力，在日军的必经之地三十亩、曹庄一带张网待敌，将日军打得大败而逃。光是曹庄一仗，日军就留下了100多具尸体。在黄崖洞保卫战中，左权指挥直接守山的八路军仅1200 多人，与陆续增援达5000多人的日军，鏖战10 个昼夜，共毙敌1000余人，其中大队长以上军官5 名，我方仅伤亡营长庞粟以下166 人，以6∶1 的辉煌战绩，开创了中日敌我伤亡对比空前未有之记录。此战被中共中央军委评价为"1941 年以来反扫荡的一次最成功的模范战斗"。
二、治军方法：在循循善诱中因人而异严爱分明
平时训练注重形式多样，而后还真派上了用场。1938 年夏天，八路军总部特务团在襄垣县大黄庄一带休整练兵。左权对这次练兵十分重视，他经常对干部和战士说："中国有句老话叫做'鼓越锤越响，兵越练越强'。八路军出师以来，打了多次胜仗都是沾了以前饱受过二万五千里长征锻炼的光。现在一批批新战士补充进来了，不练好杀敌本领怎么能够打胜仗？所以，大家对军事训练一定要认真哟。"当时，许多新入伍的北方战士不会游泳，左权就组织他们到漳河里学习游泳，并进行武装泅渡大演习。对此，有些人很不理解："咱们这太行山除了山地还是山地，学那个游泳有多大用处？又不是当海军！"左权听说后耐心教育战士说："做一个真正的好战士，就得练就一身真本领，老百姓不是常说'闲时置下忙时用'嘛！眼下可能用不着，终究会用得着的。"
