9月15日15时，687团从东侧、685团从西侧围上来，686团从老爷庙高地发起攻击，而独立团则顽强阻击涞源援敌。

当686团完全控制了兴庄至老爷庙之间的山沟以后，又马上按师首长战前的指示，向西面的东泡池方向发起进攻。

经过反复冲杀，将敌2000人包围在东泡池一带，但因东跑池防线的正面防守未按预定计划向东出击，致使东泡池一带的日军向北侧团城口方向逃窜。

据时任国民党第十七军第八十四师第二五一旅旅长高建白在《晋绥抗战.在团城口抗战的第十七军》中写道：

这时，八路军已在关外东泡池蔡家峪一带阻击敌应援部队，给敌以巨大打击，取得辉煌胜利，给我部以莫大鼓舞，官兵为之振奋，不料晋绥军十六个团一直没有出击。

在杨得志六八五团的阵地上，战斗开始后，人称‘猛子’的二营五连连长曾贤生，指挥全连战士首先用手榴弹炸翻了日军行进在最前面的十余辆汽车，然后率20名大刀队员冲入敌群，与敌人展开白刃格斗。

曾贤生先后用大刀砍倒了十几个鬼子，自己也多处负伤。在身疲力尽之时，被五六名敌人团团包围，曾贤生毅然拉响身上仅有的一颗手榴弹，与敌人同归于尽。

在乔沟伏击战中，被围困在西段公路上的日军抢先占领了老爷庙前高地，居高临下向处于沟底的八路军进行反击，给八路军造成很大威胁。

六八六团团长李天佑命三营夺回老爷庙高地，敌我双方拼杀在一起。

此时6架敌机前来助战。三营战士不怕敌机威胁，奋勇作战，副团长杨勇和营长邓克明先后负重伤。三营伤亡过半，九连最后只剩下十余人仍在坚持战斗。

在六八五团、六八七团各一部的配合下，经过三个多小时的血战，终于夺回了老爷庙高地，聚在该地区的400多名敌人全部被歼。

日军后续部队步兵和辎重车队大部进入乔沟之后，埋伏在小寨村西乔沟入口处的六八七团第三营，向沟内外敌人发起猛烈攻击，截断敌人的退路。

沟口有40余名敌人冲上沟边西侧山地，向三营九连进行反击，四五名战士中弹牺牲。

二排长秦二楞带领全排战士冲向敌人阵地，他连甩手榴弹炸掉敌人的一挺重机枪，然后和战士们冲上去与敌人展开肉搏战。

当他刺倒两个敌人后，被日军包围起来。已经浑身是伤的秦二楞身处险境，端着刺刀同敌人左右周旋，后面敌人的刺刀刺进了他的腰部。秦二楞瞪大了血红的眼睛，猛一侧身还了身后敌人一刺刀，与敌人一起倒在地上。

在六八七团伏击战斗中，副团长田守尧与战士们一起向敌人冲杀，身负重伤。

担任阻援任务的杨成武独立团，驿马岭（腰站）阻击战打得很艰苦。

独立团两个营阻击占据有利地形的日军约一个联队的进攻，遭到隘口两侧敌人七八挺机枪的猛烈射击，张德仁和十几名战士当即牺牲。

教导员张文松和副营长袁升平指挥部队向敌机枪阵地发动进攻，张文松中弹牺牲。

此时，二连一排“麻”排长带领十几名战士秘密地攀上一座悬崖，发现敌人在隘口东侧的洼地里支满了帐篷，有数百名日军正在吃干粮。

“麻”排长和战士们向敌群甩出一批手榴弹，几十名敌人被炸死炸伤，敌军大乱。

“麻”排长和战士们乘机跳下隘口冲进敌营和敌人拼起刺刀，终因敌众我寡，陷入敌人的重重包围。

“麻”排长腹部和腿上多处负伤，仍然死战不退，结果他和大部分战士壮烈牺牲。

1938年5月26日到6月3日在延安抗日战争研究会上，毛主席在讲演中再次肯定了平型关大捷。

毛主席在《论持久战》中指出：如此伟大的民族革命战争，没有普遍和深入的政治动员，是不能胜利的。

抗日以前，没有抗日的政治动员，这是中国的大缺陷，已经输了敌人一着。抗日以后，政治动员也非常之不普遍，更不说深入。

人民的大多数，是从敌人的炮火和飞机炸弹那里听到消息的。这也是一种动员，但这是敌人替我们做的，不是我们自己做的。

偏远地区听不到炮声的人们，至今还是静悄悄地在那里过活。动员了全国的老百姓，就造成了陷敌于灭顶之灾的汪洋大海。

平型关大捷的胜利鼓舞了全国军民的抗战士气，对敌后根据地的建立，起到了非常直接的支持作用。

时任686团组织处股长的欧阳文撰文回忆到：“平型关一战我们八路军、115师一下就打出名气了，战后我们到晋南招兵。我们团的招兵处和国民党的紧挨着，他们那边根本没人去，我们用了一个星期就招了3000多人。”

这才是鲜明的对比！

此后，敌后抗日根据地不断建立和扩大，八路军开始逐步取代国民党军队，成为华北战场的主力。