平型关大战是国共合作的第一次作战，平型关大捷则是平型关战役的一个部分，而平型关战役是太原会战的第一次大战役。就在八路军115师对日军进行伏击战的时候，国民党33军的独立第8旅也正在平型关同日军作战。

据时任国民党61军军长的陈长捷回忆，阎锡山曾订了一个把日军放进平型关内加以围歼的决战计划，可是后来计划改变未能实施，9月中旬，日军板垣师团主力从广灵、蔚县分路向灵丘急进。9月19日是中秋节，孟宪吉独立第8旅奉阎锡山命令前往平型关，21日占领了平型关阵地。该旅第623团第1营营长刘光耀回忆，日军先头部队在9月21日午夜已经到达平型关下，开始向晋绥军发动第一次进攻。进攻的日军是第5师团第21旅团长三浦敏事少将率领的共约4个大队的兵力。而115师伏击的，正是21旅团的辎重部队，和独立第8旅配合作战。

1938年9月，太原会战爆发。日军为给予中国军队以决定性打击，决心进攻山西，攻占太原。19日，日军分由浑源、应县南向平型关方向进犯。

阎锡山把部队部署在雁门关以南，守卫内长城平型关——雁门关——神池一线，与日军板垣师团主力进行会战。9月22日起，日军进犯平型关，猛攻平型关左翼高地团城口、东西跑池等地。

型关战役自9月22日持续到9月30日，最后因指挥不当、国民党各部队间的合作不善等等原因而失败，各部队撤退至五台山、云中山、芦芽山、忻口、祈县一带组织防御，保卫太原。战役中，28日，61军217旅434团在团长程继贤率领下，与日军反复争夺1386.6高地，最终程继贤及全团官兵除派出联络增援的团副郭唐贤、营长张景舜及一通讯排长三人外，其余均为国捐躯。

是日中午，八路军第115师（林彪）在蔡家峪、小寨——关沟村山沟伏击由灵丘开往平型关的日军板垣师团辎部队，英勇作战歼敌数百人，缴获大车70辆、汽车75辆和大量军用物资，占领了蔡家峪、小寨村，截断平型关到灵丘之间的交通。

平型关战役虽然失利，但平型关大捷却使115师名声大振。25日，115师胜券在握的时候，林彪已经把消息向朱德汇报了，平型关大捷的消息很快在全国广泛传播。

日军板垣师团从浑源灵丘增援。阎锡山决定在平型关与日军决战，令陈长捷新组成的第61军向平型关增援，由傅作义负平型关指挥全责。陈长捷军梁春溥旅27日驰赴涧头、迷回，攻夺鹞子涧、团城口。郭宗汾师、孟宪吉旅于28日拂晓在平型关大反攻，程继贤团攻迷回。程继贤团因突入太深，被日军包围，全团力战，仅数十人突围，团长程继贤及全团官兵均壮烈殉国。

27日，日军猛攻茹越口，守军杨澄源军之梁鉴堂旅坚决抵抗并出击，连续搏战3天，损失惨重，茹越口阵地失而复得者三四次。28日，旅长梁鉴赏奋勇督战身亡，所部一个团伤亡达三分之二，另一团伤亡一半以上，茹越口陷落。

9月28日，日军攻占平鲁、朔县。朔县守城部队誓死抵抗，激战竟日，城陷，官兵700多人殉国。日军屠城，城内官绅、民众被杀者3000以上。

日军攻占铁角岭后乘势南下，30日侵占繁峙，切断平型官后路。阎锡山担心后退之路被截，决定晋北全线撤退，集中主力于石岭关以北的忻口地区，保卫太原。