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。
平型关大捷，首先，打破了日军“不可战胜”的神话，粉碎了国内一些人的“恐日病”和抗日“亡国论”，极大地振奋了人心，增强了全国人民和各爱国武装力量坚持抗战的信心和决心。
同时，提高了中国共产党和八路军的威望，为八路军在华北创建抗日根据地，开展敌后游击战争创造了有利条件，奠定了广泛的群众基础。
平型关大捷后八路军在开辟敌后根据地时，走到哪里都受到广大群众的热烈欢迎，大批青年积极报名参加八路军。
防守平型关的国民党爱国官兵在八路军平型关大捷的鼓舞下，增强了斗志。
在国际上，平型关大捷鼓舞了东南亚各国的爱国华侨，纷纷捐钱捐物支援祖国抗战。
美国等西方国家也成立援华组织，集合游行，抵制日货、拒绝出口钢铁给日本用来制造武器，声援中国抗战。
骄横狂妄的日军不得不调整部署，采取迂回进攻的策略，从而延缓了军事进攻的速度。上述种种，无不缘于八路军平型关大捷的影响。
据《解放军报.平型关：出师抗日第一捷》报道：“平型关大捷的意义还在于进一步统一了党内的战略思想。”
战后，115师师长林彪在《平型关战斗的经验》中写道：我军在目前兵力与技术条件下，基本上应以在敌后袭击其后路为主，断敌后路是我们阻敌前进争取持久的最好方法。
这一认识符合毛主席反复强调的‘坚持独立自主的山地游击战’的战略方针。
思想的统一，为日后共产党领导的各支部队深入发动群众，建立敌后抗日根据地，奠定了基础。
毛主席在《论持久战》中写道：每个月打得一个较大的胜仗，如象平型关台儿庄一类的，就能大大地沮丧敌人的精神，振起我军的士气，号召世界的声援。
平型关战斗结束后，蒋介石在1937年9月26日给朱德、彭德怀的贺电中说：25日一战，歼敌如麻，足证官兵用命征战。
著名爱国志士、老同盟会会员、时任第二战区战地动员委员会主任续范亭先生战后所著之文写道：
谨按平型关战役，八路军的大捷，其估价不仅在于双方死亡的惨重，而在于打破了“皇军”不可战胜的神话，提高我们的士气。
在敌人方面，从南口战役以来，日寇长驱直入，如入无人之境，在平型关忽然受到惨重的打击与包围被歼，使日寇知道中国大有人在，锐气挫折，不敢如以前那样的长驱直进。
续范亭老先生的这段话，代表了当时全国人民对平型关大捷的高度评价。
朱德在《挺进华北抗日前线》中写道，就日军而言：一是武器较好并善于发扬火力；二是作战顽强，不肯缴枪；三是能按计划行事，退却快，援军也能很快开来。
朱德在《八路军半年来抗战的经验与教训》中讲到，就八路军而言：以劣势武器要战胜现代化的强敌，在战术上就必须善于灵巧机动地使用自己的兵力和武器，发挥自己旺盛的攻击精神，选择有力阵地与时机，抓住敌人的弱点，集中最优势的兵力与兵器，采取秘密、迅速的动作，出敌不意，突然袭击，进行肉搏，坚决消灭之，否则，即难于成功。
林彪在率领115师撤出平型关战场后，针对伏击敌二线部队和与敌一线增援部队交锋时的战斗，一直在沉思和总结。
他在《平型关战斗的经验》一文第3条写到：敌人的弹药和粮食要靠日本从后方输来，切断他们的后方线，在敌后方发展游击战是非常重要的。
第5条说：战斗开始后，要迅速接近敌人，投入肉搏，使敌人的炮不好放。
第7条指出：过去战斗中还不曾碰过这样强的敌人，强是说他们的步兵能各自为战，虽打败负伤了，亦有不肯缴枪的。
第9条强调：夜袭是战胜日寇的重要作战手段。
第10条提到：断敌后路是我们阻敌前进争取持久的最好方法。
林彪在第12条特别提出：我们的军事技术特别是战斗员技术与战术的教育还需大大的努力。
从中文史料看，日军在平型关之战中的状况，是一个典型的口袋之战，也就是日军钻进中国军队布置的口袋阵，然后被全部歼灭。
但是日本方面的记载，这个口袋却是有两个进口的①。
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注①据日军《第十一联队战史》记录，平型关之战在八路军的伏击圈中，有两个战场，日军是从两个不同方向钻进八路军伏击圈（平型关以东的关沟峡谷）的。
这两支敌军部队，一支是从平型关返回灵邱的“新庄自动车队”，搭载其他日军部队一部，属于日军第六兵站汽车队，从西向东进入八路军伏击圈，这支部队的指挥官是新庄淳中佐。
另一支是携带大批弹药、衣物、粮食等物资，从灵邱向平型关前线支援的步兵第二十一联队。