为解救华北危局，八路军不待改编就绪，即在总指挥朱德、副总指挥彭德怀率领下誓师出征，由陕西三原、富平经韩城地区东渡黄河，日夜兼程，挺进山西抗日前线。
与之形成鲜明对比的是，国民党军在消极防御的战略方针指导下，丧师失地，节节败退。防守宣化、张家口、大同等地的国民党军此时正纷纷退却，秩序混乱，华北大片国土沦陷敌手。而突然出现的整齐威武、斗志昂扬、纪律严明的八路军，勇敢地迎敌而进，宣传抗日救国纲领，号召各阶层人民组织起来抗战，犹如黑暗中的一缕明光，照亮了三晋人民。人们奔走相告，扶老携幼夹道欢迎，都将希望寄托在英勇挺进的八路军身上。
八路军并没有辜负民众的期望，入晋不久便取得了震惊中外的平型关大捷。
据当时在3营任排长的田世恩回忆：
当我带领全排冲到老爷庙坡下时，见前面有一个鬼子正往老爷庙那边跑，我就挺着刺刀拼命追。不想在我右边，藏在鬼子尸首堆里的一个鬼子正要向我开枪，这时突然从土坡后面跳出一位高个儿汉子，一下就抓住了那鬼子的脖子，那鬼子哇哇叫两声就老实了。我见老百姓也来参战，劲头更足了，紧爬几步追上逃跑的那个鬼子，一刀就将他刺下了山。不过，有的鬼子的刺刀技术确实不错，我后来遇到的一个鬼子个儿不高，动作非常熟练。来回几个回合不但没找到他的漏洞，反而把我的刺刀给挡弯了。正在这时，我的右肩膀被击中。那家伙见状以为有机可乘，向我扑过来，我顺势抡起枪托劈到那鬼子头上……
我们足足拼了半个小时，鬼子顶不住了，纷纷钻到车下，我们乘机直奔老爷庙。占领老爷庙的一小股敌人见我们开始往上爬，就机关枪扫个不停，沟里的鬼子也从后面涌上来。这时2营从侧面冲过来，消灭了涌上来的敌人。我们没了后顾之忧，继续前进。我带着两个班的战士冒着弹雨，匍匐前进，在离山顶不远处向敌人投弹。敌人的机枪哑了，他们就端着刺刀冲下来。有经验的人都清楚，这种依托阵地的反冲锋是很厉害的，但我们的人多，三五个战士对付一个鬼子，一个鬼子最少也要挨上两三刺刀。我们占领老爷庙后，居高临下进行攻击，打得沟里的鬼子无处藏身。
日军此时方才如梦方醒，明白了制高点的作用，急忙组织起几百人进行军团冲锋。脚穿皮靴的日军，爬山的速度极慢，在八路军的近战射击下，根本形不成威胁。
激战至下午3点，八路军发起总攻。鬼子再也顶不住了，纷纷溃败下去。这时枪声稀了，喊声也渐渐弱了，鬼子是在做最后的垂死挣扎。除一部突围外，被包围在沟里公路上的日军全部被击毙，居然无一人被俘。
