1937年8月5日，侵华日军参谋本部决定进行华北会战，迅速攻占被称为“华北屋脊”的山西，以夺取华北战场的主动权。九月初，参加过甲午战争、被称为“钢军”的日军第五师团兵分三路，向晋北方向侵攻。面对日军的攻势，时任中国第二战区司令长官的阎锡山下令在关岭一带构筑坚固防线，挡住日军的攻势。作为山西重要关口的平型关，也成为了双方争夺的焦点。这也就导致了平型关伏击战的爆发！
平型关古称“瓶型寨”，因周围地形如瓶而得名，其北为恒山，南为五台山，两山之间只有此地适宜通行，是故自古以来就是重要关口。对于平型关的重要军事意义，日军第五师团师团长板垣征四郎也有着深刻的认识。此时平型关正是第一、第二战区的结合部，军事上也适合作为一个突破口。
1937年9月13日，第五师团攻占阳原、蔚县，次日攻占广灵。21日，第五师团兵分两路，一部由大同沿同蒲线直趋太原，一部以日军21旅团为主力向灵丘、平型关进攻，企图突破平型关后与友军一同攻占太原。面对咄咄逼人的日军，阎锡山一方面命晋绥军三十三军、十七军、十五军死守平型关及周边地区，另一方面电讯十八集团军总司令朱德（当时的八路军不隶属第二战区，而是直属于国民政府军事委员会，所以与阎锡山没有上下级关系），寻求八路军方面给予配合，攻击日军侧后，以缓解国军的正面压力。
面对阎锡山的求援，八路军方面自然是当即应允，命八路军115师在平型关一带寻求战机伏击日军，以削弱日军攻势。9月23日，到达平型关地区的115师在灵丘以南的上寨镇召开动员大会，已经先后两次进行战场勘查的林彪，在会上对敌我形势和战场环境作了细致的讲解和分析，坚定了全师打好这一仗的决心。
作为整个平型关战斗中唯一黄埔出身的军事指挥官，林彪最终决定在平型关东北面的小寨村至老爷庙的一段名为“乔沟”的小路上伏击敌人。乔沟既是日军进攻平型关必经之路，地形又十分险要。顾名思义，乔沟与其说是路，更像是山沟，沟深10~30米，宽10~20米，左侧为陡峭高山，右侧为带形平地，是伏击的绝佳地形。
八路军115师的具体部署是：独立团（团长为后来指挥击毙阿部规秀的黄土岭战斗的杨成武）、骑兵营在灵丘、涞源方向牵制、打击可能来支援的日军；685团部署于白崖台以西，消灭光沟、老爷庙之敌；686团部署于白崖台以东地区，消灭老爷庙至蔡家峪一线之敌；687团埋伏于小寨村东的山地，打击敌军的后续部队；688团向东长城集结，作为机动兵力即预备队。9月24日，突降大雨，115师各团开始朝预定位置行进。最终，除688团大雨引发的因山洪阻隔没能到达外，全部到达预定位置，山雨已来，箭仍在弦。
1937年9月25日，“平型关伏击战”打响了。近些年，随着各种外文史料尤其是日文史料进入人们的视野，这种影响带来了复杂的结果。一方面平型关战役中的日军属于哪些部队有了较为清晰的面貌，另一方面“平型关战役有两个战场”的说法出现并流行起来。按照日方的说法，进入乔沟的日军一路是自灵丘出发，由东向西行进，为日军21旅团输送补给的，由桥本顺中佐（中校）率领的辎重队伍；另一路是完成为平型关前线运送弹药任务后自关沟返回灵丘，由西向东行进的，由新庄淳中佐（中校）率领的第五师团第六兵站汽车队。
但是这种说法，有几个明显的问题需要回答：第一，根据当地人的说法，关沟自古以来不通大路，所谓的路其实就是河槽。河槽不仅狭窄而且沿途有很多卧牛石，汽车根本无法通过。第二，根据板垣征四郎的电报，他9月25日晨才命令汽车队前往平型关前线运输弹药，也就是说此时汽车队应该不在平型关；第三，根据大量战斗亲历者（例如参与现场指挥的115师副师长聂荣臻）的回忆，日军是25日上午八点半左右，以100多辆汽车打头阵，200多辆马车在中，炮兵、骑兵在后的队形进入伏击区的。
所以，这些迹象表明，所谓的“两个战场”说法，很有可能是日方对史料故意或非故意误读并缺乏实地考察的结果，而真相极有可能就是人们最开始以为的那样：一支承担着运输武器弹药任务的日军，排成一条长长的队伍，进入了八路军早已埋伏好的伏击圈。紧接着，就是一场血战。日军全部进入伏击圈后，随着一声令下，685团负责截住日军头部，687团负责截住日军尾部，686团则负责腰斩，三个团猛冲沟内日军，与日军杀作一团。
还有一些人以为，运输补给的军队就是毫无战斗力的民夫与非战斗人员。这是一种典型的误解。俗话说：“兵马未动，粮草先行”，补给物资是一支军队战斗力的重要保障，尤其是进入近现代，热兵器普及后，对于枪支弹药等消耗品的补给就变得更为重要。
所以，战场上的辎重补给队伍往往要配备强大的护卫军队来保护，以防止出现纰漏。而来到乔沟的这股日军，恰好就有为数不少的护卫军队随行。打头阵的汽车队，其实就是日军的“快速反应部队”。根据统计，进入乔沟的日军中属于正规作战部队的，至少有600余人，根据林彪的回忆，“敌人射击的准确，运动的隐蔽，部队的掌握，都颇见长”，也间接证明了这一点。
虽然大多数人会把发生在乔沟的伏击战和“平型关战役”等同起来，但实际上，“平型关战役”或者说“平型关大捷”是一系列战斗的合称更为贴切。一方面八路军在消灭了进入乔沟的日军后，并不是满足于此便结束了战斗。另一方面从日军进入乔沟被八路军伏击到被全部歼灭这段时间，日军方面也不是一动不动，而是想方设法救援被伏击的日军，并在来乔沟的路上遭遇了八路军的顽强阻击。
在乔沟伏击战进行时，获悉所部被围的板垣征四郎急令驻扎在蔚县的42联队主力和第9旅团一个联队增援平型关，结果均被由杨成武率领的独立团在驿马岭、白龙须沟所阻击，并付出了较大伤亡。根据杨成武本人回忆，在驿马岭“遗弃着各种姿势的敌尸（日军）三百多具”，在白龙须沟则根据当地人回忆“打死日本兵40多人”。下午13时，蔡家峪以东的一部日军与小寨镇以南的日军会合后，在飞机、火炮的掩护下，试图冲破八路军的阻击区救出被围的友军。结果该部日军在老爷庙高地与八路军陷入胶着。日军飞机、火炮也因为两军距离太近无法投弹。该部日军最终被八路军击退。
9月25日下午，乔沟伏击战结束后，685、686团各派出两个营按照战前部署，分南北两路向占领东跑池的日军发起了进攻。此时日军因为大量有生力量在乔沟被消灭，兵力空虚，八路军顺利攻占了日军21旅团的司令部和野战医院。根据当地人的回忆，前后掩埋了100多具日军的尸体。
平型关大捷虽然没能扭转山西的战争形势，但是在当时，却是中国军队少有的胜利，鼓舞了当时随着连番失利而消沉的士气与民众信心。蒋介石亲自向八路军发了“有日一战，歼敌如麻，足证官兵用命，指挥得宜”的贺电。最重要的是，证明了只要国共精诚合作，就一定能够痛击日军。可惜，如同平型关战役中，原计划支援八路军的国军部队最终没能出现一样，合作道路，至艰甚难。