直到九月二十四日，日本的第一軍才攻佔保定，華軍順利脫離戰場，日軍並未獲得殲滅華軍主力的機會，於是迫使寺內壽一決定，日軍繼續深入，沿平漢線南下進攻交通與軍事重鎮石家莊。
這時蔣介石既已將決戰的主力東調，於是下令平漢線的中央軍主力部隊，沿正太鐵路向山西高原的戰略高地集中，以協助第二戰區司令長官閻錫山防守山西，因此讓出了戰線側翼。日軍雖然順利攻佔石家莊，但是仍然沒有捕捉到華軍。不過這時由於日軍第五師團與獨立旅團，在山西北部作戰不力，被阻在忻口，因而誘發華北方面軍為了支援第五師團作戰，提早發動攻佔山西的作戰＇2＇。
因為日本的華北方面軍，既然無法在河北的作戰行動之中照原計劃，圍殲中國的主力部隊，於是關東軍蒙疆兵團（原先的察哈爾派遣兵團改名）在山西北方的右翼，全力搶攻山西北部平綏線的重鎮大同，以進逼山西內長城防線。而在山西戰略要地大同作戰的華軍，竟然在部隊沒有及時進入陣地，就被日軍快速進軍的蒙疆兵團打得七零八落，陣地全線潰散。閻錫山因而無法有效掌控內長城以北防線的狀況，氣得槍斃了軍長李服膺，華軍只有不戰而退撤離大同，退守內長城防線。（這時只有過內戰經驗的華軍，根本不能瞭解一支現代化、一流水準的日軍之武器、戰術運用與其作戰速度，因此在剛開始的作戰上經常是無法招架日軍的攻勢。）
這引起在大同東南方作戰的日軍第五師團，躍躍待試地向山西深入，因為第五師團在南口的平綏鐵路作戰中，就比不過察哈爾派遣兵團的表現，如今又怎能眼看著察哈爾兵團手到擒來地攻佔大同？（事實上，日本關東軍與華北方面軍一直在為內長城防線，進行“地盤”的爭執，關東軍總是想控制察哈爾南部與山西北部，造成華北方面軍極其不滿）。
21。6 平型關大捷的歷史真相
第五師團長板垣徵四郎本來就是個野心極強的軍人，九一八事變佔領中國東北就是他“蓋世”的功業，如今他那肯低頭讓人，所以板垣決意深入山西，以搶回被關東軍奪去的面子。於是日本第五師團朝向靈邱、平型關以及忻口一線進兵，與蒙疆兵團由大同南下，對太原形成鉗形攻勢＇3＇。
同時日本大本營發現華東作戰，已經轉為新的主力決戰地區，日軍在上海已經感到兵力分配不足的問題了，因此決定從華北方面軍抽調兩個半師團（第六師團與第十六師團，以及國崎支隊），投入上海作戰，這樣一來華北方面軍就根本不可能在華北發動重大攻勢，只有將剩下的部隊，改投入山西作戰，於是整個華北作戰的重心，就“意外”地轉向山西，而中國方面最為擔心的狀況，即日軍會以大軍越過黃淮平原南下，直撲武漢的作戰，日大本營不單是根本就沒有認真的設想過，此時也不再有軍力加以實施了。
由於蔣介石將固守山西高原，當成華北作戰的戰略重心，因此調派大量的部隊支援第二戰區的閻錫山，山西更是閻錫山所經營的“獨立王國”，長達二十年以上，當然不容日軍輕易得逞。大同既失，華軍決心全力在內長城防線，進行固守決戰。平型關是這個戰線的一個防禦重點，剛好日軍第五師團，由靈邱向平型關進軍，與是閻錫山與傅作義、楊愛源商議，指揮包括中央軍、晉軍以及八路軍，在“平型關＇4＇”一帶進行口袋戰術佈陣，準備包圍與反擊日軍長驅直入的攻勢，以鞏固太原的外圍防線。
而所謂八路軍的林彪一一五師所創下的平型關“大捷”，只是這場作戰中的一個小型伏擊戰而已（單獨地伏擊到日軍一支補給車隊）。當時真正防衛平型關的是劉奉濱師，屬於孫楚指揮，在他的右翼是劉茂恩軍團，高桂滋軍，左翼則是傅作義軍、陳長捷軍，日軍的第五師團與第二混成旅團，猛攻平型關陣地，展開血戰，日軍部隊於九月二十一日發動側翼攻擊，越過平型關戰線，而深入華軍所佈置的戰線口袋之中，兩軍陷入激戰。
因此當時第六集團軍司令官楊愛源，下令所指揮的華軍，分成五支部隊，開始滲入日軍後方，進行攪亂日軍在平型關後方的戰線，對於日軍補給線進行遊擊戰。而其中林彪師共有一萬多人，奉命在平型關的東南方，屬於右翼助攻部隊，進行敵後遊擊。
九月二十五日凌晨，林彪師以秘密靈活的遊擊運動方式，在小寨附近的土溝，逼近日軍一支營級（大隊）的運輸補給部隊，然後發動近距離的突擊，在半天的戰鬥中，全殲了這支總數在五百人以內，以後勤支援為主的日軍部隊，僅抓到俘虜一人（後來還是讓他逃脫了），俘獲步槍兩百支而已。只是當時