就在115师张网以待的时候，一直做着“皇军不可战胜”美梦的日军坂垣第五师团通过侦察，得知民党部队在平型关一带集结兵力，意图阻止其向太原前进。
但他们怎么也没料到八路军和民党军会密切合作起来组成前后两个战场，更没有料到配合民党军作战的后方战场上的八路军此时已在平型关外严阵以待。
骄狂的日军一切仍照计划进行，25日拂晓，日军第五师团第21旅团的辎重部队载着大批物资的车辆，沿灵丘至平型关公路西进，于七时许全部进入平型关115师的伏击圈。
115师居高临下，有备而来，马上向日军发起迅猛的攻击。刹那间，八路军将士犹如神兵天降，公路两旁的伏军冲向公路，把敌人截成数段，打得日军一时慌了手脚。
日军得知21旅团的辎重部队被115师伏击后，增援部队马上行动起来，一支两千多人的部队迅速前去救援。
得知情况后，115师指挥部命令充当预备队的345旅前去阻挡这股敌军。临行时，林帅对旅长杨成伍说：“你们如不能把敌人的援兵挡住，平型关之战就胜负难料。所以，你们必须全力以赴，死死顶住敌人。”
25日下午4时，经过惨烈的激战，115师全歼被围之敌，取得战斗的胜利。后来，日军第五师团的野战仓库主计岛尾又治郎关于战场的记述是：无论在烧焦的卡车四周，还是在背后丘陵的斜坡上，都横七竖八地躺着无数十分可怜的日军士兵的尸体……
战役进行的同时，八路军还组织游击支队，挺进晋北敌后，发动群众，开展游击战争，截击运输，破坏交通，寻机歼敌。此外，首战告捷，为中国守军夺得了忻口从容布防的宝贵时间。
八路军在平型关抓住战机，侧击日军，旗开得胜，戳穿了日军“不可战胜”的神话。一时间，全国各界给工农党和八路军发出的贺信、贺电，达百余件之多。
常凯申26日致八路军电中说：“25日一战，歼寇如麻，足证官兵用命，深堪嘉慰。尚希益励所部，继续努力。”
魔都市职业界救亡协会28日致电八路军称：“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。”
第二战区战地动员会主任续范亭著文称赞道：“谨按平型关战役，八路军的大捷，其估量不仅在于双方死亡的惨重，而在于打破了‘皇军’不可战胜的神话，使日军锐气挫折，不敢如前那样长驱直进，提高我们的士气。”
张城看着八路军总部发过来的捷电通报，脸上也是充满着羡慕之色，115师不愧是红一军团出身的老底子，原本历史上就非常英勇善战，其军官干部团就连张城也垂涎三尺。
如今在自己蝴蝶翅膀的加持下，115师实力比历史上还要强出一倍，原本杨成伍应该带领一个独立团前去阻击日寇援军，后因敌众我寡，独立团全军覆没，仅有百人幸免。