八路军东渡黄河以来，士气高涨，现在，满腔抗日激情都集中在枪口上。受过军国主义训练的日本兵虽然失去指挥，却抵抗得十分顽强。有的日本兵爬到汽车底下和沟坝上，向八路军射击；有的日本兵拼命往山坡上爬，希望夺占一块有利阵地。路沟里的八路军战士很想像同国民党打仗一样，多抓一些俘虏，谁知日本兵骄横异常，死不投降，伏击战发展成一场惊心动魄的白刃肉搏战，中国士兵和日本士兵打在一起，伤员和伤员扭成一团，互相用牙齿咬，用拳头砸。
一次，日本鬼子集中力量猛攻老爷庙，企图夺路突围，遭到据守该阵地的5连3排战士们顽强的阻击，全排指战员壮烈牺牲，日军也未能突破这个阵地。
八路军将士十分勇猛。当一股日军企图夺占公路两侧的高地，掩护其他部队突围时，第686团第2营的指战员抢在日军前面占领了老爷庙及其以北的高地，与公路东侧的部队形成两面夹击，又把日军压缩到峡谷之中。第686团副团长杨勇在战斗中负伤，顾不上包扎，继续在战场上搏杀。
危急时刻，曾贤生连长高喊一声：“我们要用刺刀消灭敌人，就是牺牲，也要堵住敌人！”他带领全连战士首先冲进敌群，在与日军肉搏中光荣牺牲。
进至东跑池的日军听到后面激烈的枪声，立即回过头来企图援助。却被第685团的指战员死死阻击，无法回援。
日军在平型关遭到伏击的消息很快传到第5师团，师团长坂垣征四郎大吃一惊。前几日，坂垣选择平型关作为进攻的迂回路线，是考虑到山西和河北交界的地方是中国军队防御的薄弱环节，根本没有想到会突然冒出来一支八路军的精兵。战场十万火急，坂垣严令在蔚县、涞源的第21旅团第42联队的日军火速赶往平型关增援。
但是，坂垣的命令已经难以挽救平型关遭到伏击的日军的命运了。林彪、聂荣臻早已料到日军的意图，把师独立团和骑兵营配置在灵丘以北和以东的地区，这路日军根本无法向平型关靠拢。
坂垣征四郎闻讯，急忙调来6架飞机到平型关上空，企图掩护日军突围。被围日军听到飞机声，看到了一线生机，再次组织部队猛攻老爷庙和附近的高地。然而，日军的希望再次落空了，平型关已经被八路军围成铜墙铁壁，根本不可能突出去。
傍晚，战斗结束了。
山沟里响起了八路军战士的阵阵欢呼声，日军精锐第5师团第21旅团1000多人被歼灭了。坂垣征四郎，这个中将师团长，有名的“中国通”，万万没有想到在眼皮底下有一支严阵以待的八路军。
9月28日，八路军第115师最后一批指战员撤离平型关。就在这一天，坂垣征四郎亲自率领7000人马由灵丘西进。先头的第21联队第3大队首先目击了3天前激战留下的残迹，多年后日本出版的《滨田联队史》中有如下记载：
“9月28日，成泽中队得到友军的支援后，勇气百倍，再次继续前进中却遇到意外情景，一刹那间吓得停步不前。冷静下来看时，行进中的汽车联队似遭突袭全被歼灭，100余辆汽车惨遭烧毁，每隔约20米，倒着一辆汽车残骸。
“公路上有新庄中佐等无数阵亡者，及被烧焦躺在驾驶室里的尸体，一片惨状，目不忍睹。
“想到平岩大队25日接支队命令前来救援，半路上却受到比我方多十几倍敌人的包围，终于未能到达目的地。为此，竟造成如此悲惨景象，痛切心情，难以言表。
“用了长达3个小时，才把一辆辆烧焦的汽车拖到公路一边，处理好阵亡者的尸体，公路上勉强可以行进。成泽中队开始前进，到达岭上。从岭上向峡谷看，辎重车辆队不是也全部覆灭了？！公路不是被辎重车辆、层层叠叠的人马的尸体堵塞着了吗？！”
这正是粟饭原秀部队的大行李队及山口、口岛2个大队的大小行李队遭到覆灭，宛如地狱图画的悲惨情景。日军在此用了近3个小时收尸、腾路，才勉强腾出一条可以继续通行的路来。可见，当时平型关战斗是十分激烈的。
坂垣征四郎看到3天前的平型关战场，百感交集。但是，没有吸取教训，继续指挥日军屠杀中国人民。1948年12月22日深夜，坂垣征四郎这个双手沾满中国人民鲜血的刽子手，在日本东京鸭巢监狱被押上绞刑架。远东国际军事法庭起诉的28名战犯中，坂垣征四郎是第4号战犯。坂垣征四郎的罪孽深重，对中国人民犯下的罪责难逃。
平型关是英雄关。平型关战役打破了日军“不可战胜”的神话，创造了抗日战争的奇迹。
这次战役的影响是深远的，亲自参加平型关战斗的杨得志团长回忆说：
“平型关一战最大、最直接的影响还是在中国国内。它使全国人民看到了貌似强大的日本帝国主义的虚弱本质；它使全国人民看到自己不可战胜的力量；它使全国人民更加信赖中国共产党和其所领导的、坚决抗日的八路军。真是打出了中华民族的威风，打出了中华民族的志气，打出了全国人民对‘驱逐日寇出中国’、‘打倒日本帝国主义’，取得抗日战争最后胜利的坚强信念和信心！”
3.期望没有实现
平型关战斗结束的第二天，八路军总部即向南京国民党军委会发出了捷报。
蒋介石看到八路军出师告捷的电报，沉思良久，先后两次给朱德、彭德怀等人发电报祝贺。9月26日，蒋介石电贺八路军总部朱德总指挥、彭德怀副总指挥。电报全文如下：
“朱总指挥彭副总指挥勋鉴：26日电悉。25日一战，歼寇如麻。足徵官兵用命，深堪嘉慰。尚希益励所部，继续努力，是所至吩。”
蒋介石仔细看平型关的战报，嗣后不久，他又给朱德发来一电，称：
“朱总司令玉阶兄：
电悉，接诵捷报，无任欣慰，着即传谕嘉奖。
中正”
9月27日，中国国民党福建党部特派员陈肇英给八路军发电报祝捷。电文称：
“八路军朱总指挥彭副总指挥勋鉴：欣悉平型关之役，我军所向披靡，斩获无算。具佩执事指挥有方，将士忠勇无敌。尚希贵军挺进，灭此朝食。特电祝捷，歌颂戎祺。”
9月28日，委员长武汉行营给第八路军参谋处发电报，电文称：
“25日电敬悉。贵路军一战攻克平型关，毙敌遍野，俘虏甚多，忠勇之气，益害敌胆。特电驰贺，续侯捷音。”
9月28日，上海市职业界救亡协会给八路军发电报。电文称：
“第八路军参谋处转全军将士鉴：贵军受命抗敌，立奏奇功，挽西线垂危之局，破日寇方长之焰。捷报传来，万众欢腾。谨电驰贺。”
巴黎《救国时报》发给八路军的电报称：
“第八路军朱彭总指挥钧鉴：据连日电讯，悉我八路军于灵丘平型关一带袭击寇军，消灭5000，捷报传来，全侨跃舞，一致认为八路军获得空前大胜利的原因，确在八路军将士高度的政治觉悟，坚强的战斗力，铁的纪律，与民众密切联系……望抗战各军学习模范的八路军的优点，更望我全体将士更加巩固的团结一致，共驱日寇，全体侨民为后盾。”
平型关大捷，八路军威名远扬，八路军在战场上缴获的日军地图，使中国军队进一步掌握了日军的战略意图，对尔后的作战产生了重大影响。
平型关战斗的枪声稀落下来的时候，八路军指战员开始清查从日军中缴获的战利品。忽然，战士们发现了日军第5师团及配合关东军“蒙疆兵团”和沿平汉路北段向西进攻敌日军第1军与沿津浦路向南进攻的日军第2军的作战计划图。这是日军的绝密文件，在军人眼里，作战计划图比生命还重要。
这些重要文件很快送到八路军总指挥部。朱德、彭德怀看到这些作战地图，十分欣喜，立刻仔仔细细地研究起来。
为了粉碎日军的进攻企图，歼灭更多的日军。9月28日，八路军总指挥朱德、副总指挥彭德怀向南京方面发出电报，阐述了他们对这份地图的见解。电文是：
“急。南京大元帅蒋、总司令刘钧鉴：密。
“25日平型关战斗，得敌高级司令部地图一张。上绘有平津直至主攻平型关、雁门关、保定及津浦路部署、部队番号，标其甚详。依据此图可对全部军事秘密了解。该图上攻入涞源之敌系向易州前进，不是向阜平前进。
“攻入大同之敌，除留守外，转向浑源，沿长城外与攻入灵丘之敌合攻雁门关；攻入灵丘敌则攻平型关，以该县与浑源部队夹长城前进。
“此地图昨日已由林师长送交孙副总司令楚，转呈阎司令部矣！
“25日战斗，已将敌原定计划破坏，使浑源及涞源两路转向平型关解围，攻平型关部队，变为突围而逃。
职朱德彭德怀”
美中不足的是，此次战役的战果没有得到进一步扩大，原因在于八路军没有得到南京方面的及时配合，致使这些日军从团城口突围，中国军队失去了再次歼灭日军的战机。蒋介石对共产党领导的军队始终不信任，1927年大革命失败以来的十年内战，蒋介石做梦都在调集军队，把工农红军围起来“剿灭”。日军侵华，经过中国共产党的艰苦努力，实现全面抗战，但蒋介石对八路军的戒心没有完全解除，两年后的皖南事变即是例证。八路军在第二战区作战，阎锡山也有意把八路军推到第一线，作为一道“挡箭牌”。对此，毛泽东早有深刻见解，多次提出，“今日红军对决战不起任何作用”。
平型关战役4天以后，毛泽东打电报给周恩来等人，电文指出：“阎必要求我军与他配合来打一二仗。为了给晋军以更好的影响，如果在确实有利的条件下，当然是可以参加的。”
9月26日，在陕北待命入晋的八路军第129师386旅陈赓旅长得知平型关大捷，在日记中写道：
“这是红军参战的第一次胜利，也是中日开战以来最大的第一次胜利。这一胜利虽然是局部的，但在政治上的意义是无穷的：1、证明我党的主张正确；2、只有积极地采取运动战、游击战、山地战，配合阵地战，抄袭敌人，才能胜算；3、证明惟武器论的破产；4、单纯的防御只有丧失土地。捷报传到部队中，人人欢跃，大家都以为我们出动太迟了。”
平型关战斗，进一步扩大了红军在全国人民中的影响，提高了红军的威望，鼓舞了中华民族的士气，增强了军队的凝聚力。这种力量，是不可战胜的。陈赓将军在10月1日的日记中写道：今天开拔，“沿途群众对我们非常欢迎。特别是平型关战斗的胜利，使他们对我们的信仰更加提高。”人民群众的态度，是最有力的说明。
再者：可惜，没有抓住多少俘虏。
一场战斗，俘虏多少是战果的一个标志。军队作战，总想多抓俘虏。土地革命战争时期，红军同国民党军队作战，每打一仗都能俘虏不少敌人。中央苏区第一次反“围剿”，红军活捉敌第18师师长前线总指挥张辉瓒；在第三次反“围剿”胜利的凯歌中，红军俘虏敌人1.5万人。那时候，红军制定了不虐待俘虏的严格纪律，国民党军官兵都知道红军优待俘虏。教育俘虏，改造俘虏，吸收俘虏参加红军，是红军不断发展壮大的一条重要措施，人民军队对待俘虏的政策在广大官兵中深入人心。平型关战斗打响，八路军指战员出于对日本侵略军的痛恨，多抓俘虏的愿望更加强烈，连师长林彪都想多抓俘虏，把俘虏带到太原去游街示众。
但是，八路军指战员多抓俘虏的期望没有实现，有的指战员反而为此付出了鲜血和生命。
当日，平型关激烈的战斗进行了半个小时，不少日本鬼子就被八路军指战员打得爬到汽车底下去了。当时，八路军战士们不懂得烧毁汽车，使日本鬼子失去屏障，许多人把日本鬼子看成内战时的国民党军队，以为只要打狠了就会缴枪。几位战士向打得躲到汽车下的日本兵喊话：“缴枪不杀！”
然而，这一仗的作战对象是日本鬼子。鬼子不仅听不懂中国话，而且是一群经过武士道训练的“野兽”。自从侵占中国领土以来，日本鬼子没有遇到多少有力的抵抗，心里只想着多占中国的地方，根本没有理会八路军战士的喊话，依然举枪与八路军指战员对抗。八路军一些优秀指战员就是在这种情况下被日本鬼子杀伤，甚至献出了宝贵的生命。
当时，几名八路军战士看到身负重伤的日本兵，连忙弯下腰想把负伤的日本兵背回来。谁知日本兵刚趴到八路军战士的身上，就张开嘴使劲咬下去，硬是把八路军战士的耳朵咬掉了。
八路军战士主动走上前给负伤的日本兵包扎，刚到跟前，就被日本鬼子打伤，牺牲了。
副师长聂荣臻亲临第一线战场，也经历了惊险的一幕。
中午，枪声渐渐稀疏了。聂荣臻随同出击的部队来到沟底的公路上，看到日军人仰马翻，沟里到处是丢弃的枪支和日军尸体，上百辆汽车燃烧着，冒出呛人的臭味。
果然是一个大胜仗，聂荣臻捡起一支枪，心里想。聂荣臻经历的胜仗很多了，但从来没有像今天这样激动。
突然，“叭”的一声枪响，聂荣臻只感到耳边有一股热风。“唆”的一声，子弹飞过去了。聂荣臻一抬头，看见一名日本兵躲在山洞里放冷枪。
战士们立即围了过去，十几支枪口对准那个小小的山洞，齐声呼喊：“缴枪不杀！”
“叭！叭！”日本兵又打了两枪。
一名战士正要冲进洞去抓俘虏，聂荣臻一把拉住他，说：“别急。”
战场上出现片刻的沉默，山洞里没有动静。聂荣臻说：“丢手榴弹，消灭他。”
聂荣臻知道，日本军队与国民党军队不同，经过军国主义熏陶，不肯轻易投降。坂垣的武士道精神，在日本军队里是有名的。眼前这些日本兵，满脑子都是武士道精神，不会轻易放下武器，千万别让八路军战士上当。
随着战争进展，日军官兵亲眼目睹了日本军队对中国人民犯下的滔天罪行，逐渐认识到军国主义的反动本质，战争后期，不少日本官兵也放下了手中的武器，同中国人民站在一起参加反对法西斯的斗争。