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為阻止日軍，迄9月21日，第73師奉命佔領平型關南之馬跑泉經平型關至東跑池南側之線；第17軍佔領東跑池經團城口至西河口西北高地之線；第15軍佔領大坪村經凌雲口至北樓口之線陣地；新編第11團在蔡家峪南北高地之線擔任警戒；獨立第3旅在神堂堡、馬跑泉以南地區佔領陣地；原在平型關、團城口、西河口、牛心堡之線構築工事的獨立第8旅，俟第17軍佔領陣地後，集結於大營附近。 。。
一、整軍抗戰（21）
9月22日，日軍三浦先頭部隊到達平型關，與擔任修築工事的獨立第8旅展開激戰，守軍1個連傷亡過半，陣地易手數次，失而復得。次日拂曉，日軍主力四五千人到達，又向平型關、團城口一帶陣地，大舉進攻，並以數十輛戰車沿公路向平型關推進。
孫楚即令高桂滋第84師（轄第250、251旅）出擊，第251旅之第502團首先迎敵。敵以飛機、大炮、機槍和坦克猛攻，衝擊平型關。敵我相距僅400米左右，雙方短兵相接，形勢危急。團長艾捷三身先士卒，率一連步兵，阻擊敵軍，不幸中彈負重傷，戰況更趨緊張。高桂滋急令第250旅增援，該旅兩個團先後參加戰鬥，戰鬥極為激烈，雙方傷亡慘重。日軍不斷增加，並在飛機的配合下，攻佔了晉軍據守的高地，全線被敵控制。
閻錫山聞訊大為震驚，提出懸賞萬元奪回高地。第251旅之第501團，組織奮勇隊，冒著敵人的炮火奪回高地，戰局才轉危為安。
與此同時，日軍2000餘人進攻東跑池西北高地，因第73師尚未全部到達指定位置，高地僅有獨立第8旅2個連，經奮力苦戰一夜，終因後援不繼而全部犧牲。日軍繼續深入，第73師、第84師等部相繼趕到，與日軍交火。激戰至24日午後，我方始將敵擊退，收復東、西跑池及附近高地。
為了確保平型關，9月23日，閻錫山調整部署：命令傅作義率領預備軍增援平型關，與楊愛源聯合指揮作戰；新編第2師赴西河口地區待命；第71師於當晚向大營東北地區前進；第72師即向砂河集結待命。
同時，閻錫山電告朱德：22日夜日軍忽然奇襲平型關陣地，發生激烈戰鬥，要求八路軍配合作戰。朱德接電後，同彭德懷立即電令：“一一五師應即向平型關、靈丘間出動，機動側擊向平型關進攻之敵，但須控制一部於靈丘以南，保障自己之右側”。並且回電閻錫山，報告進攻準備情況。
日軍正面進攻相持不下之際，粟飯旅團於9月21日從渾源出發，次日晨到達羊投崖，向南進攻，遇到守軍抵抗，戰鬥沒有進展。23日，被迫從該地撤出，轉進到棚子溝方面，企圖由龍嘴村、大坪村直搗大營，斷我平型關守軍退路。但在龍嘴村一帶遭到第15軍的阻擊，激戰兩日，仍未突破我防線。後因平型關正面戰事陷於膠著，該敵乃奉命增援正面作戰。
9月24日，傅作義率預備軍兩個旅到達平型關。日軍亦增兵5000人，分別向東西跑池、高地、團城口及講堂村各處猛攻，炮擊甚烈。激戰終日，終因我軍傷亡過重，高地及東、西跑池再度陷於敵手。
同日，傅作義、楊愛源與八路軍第115師聯絡參謀共同商討，決定次日（25日）拂曉，以第71師和第115師合擊團城口之敵。具體攻擊計劃如下：
一、正面以第71師附新編第2師為主攻部隊，第84師仍固守原陣地。
二、第71師4個步兵團，按次記要領部署攻擊。
（一）以1個團由團城口於高地間，沿山麓向東攻擊，再向南旋迥，以蔡家峪、小寨為攻擊目標。
（二）以兩個團由高地至西河口之間向東攻擊，並掩護團城口正面攻擊部隊之側背，截斷向渾源撤退之道路，以王莊堡為攻擊目標。
（三）以1個團為預備隊，由團城口附近前進。
三、獨立第8旅以一部協同第71師之攻擊，以辛莊（在東跑池東北約2公里）為攻擊目標。 。。
一、整軍抗戰（22）
四、第115師擔任敵後攻擊，以東河南、蔡家峪為攻擊目標。
各出擊部隊遂按計劃準備向敵反擊。9月24日夜，八路軍第115師冒著傾盆大雨，設伏於平型關東北老爺廟至小寨村公路附近高地。25日晨，敵第21旅團第21聯隊之第3大隊，攜帶大批輜重車輛，沿著公路西進。7時許，敵全部進入我伏擊圈，八路軍採用攔頭斷尾、中間突擊、分割殲