红军长征到达陕北之后，为了培养抗日军政干部，党中央决定成立抗日红军大学，林彪出任校长兼政治委员。
　　全国的抗日战争爆发后，中国工农红军改编为国民革命军第八路军，下辖三个师，林彪任一一五师师长，是三位师长中最年轻的。红军改编为八路军后，以师为单位分头开赴抗日前线。一一五师奉命东渡黄河，到雁北地区阻击日军的进攻。
　　1937年8月，日本侵略军占领平津之后，沿平汉、平绥、津浦铁路长驱直入。9月中旬，西进日军占据大同，其主力继续南下。进占蔚县、广灵、灵丘的日军第五师团主力企图夺取平型关。为了配合国民党第二战区军队作战，我八路军115师在林彪、聂荣臻的率领下，进驻平型关东南的上寨、下关地区，待机歼敌。
　　到达预定地点之后，林彪反复研究了雁北的地形和敌我双方的力量对比，认为只能寻找有利地势打伏击战，不能找阵地战。经过对平型关一带的地形侦察，最后确定利用日军疯狂而轻敌的弱点，占据有利地势，设伏待敌，打较大规模的伏击战。
　　1937年9月22日，日军第五师团一部由灵丘进占平型关北部的东跑池地区。八路军前方总指挥部于二十三日命令我一一五师向平型关、灵丘间出动。一一五师接到命令后，林彪决定利用关沟至东河南镇之间公路修在山谷中间的有利地形设伏待敌。决心下定之后，部队于二十三日隐蔽进入平型关以东冉庄和东长城村待机。与此同时，派出骑兵营和独立团向灵丘方向活动，钳制日军，以便保障主力的翼侧安全。
　　9月24日，一一五师组织了营以上指挥员进行现场勘察，并作出了具体部署。是日夜晚，各部队冒大雨向指定位置开进。25日拂晓，部队全部进入设伏位置，完成了各项战斗准备。
　　9月25日晨，日军第五师团第二十一旅团一部携带大批辎重沿灵丘至平型关的公路开进，日军大摇大摆，根本不以为有中国军队敢于阻击。上午七时左右，日军全部进入一一五师设伏地区。指挥员当机立断发起进攻命令。一阵伏击的枪弹，给敌人大量杀伤。随后各团利用有利地势发起冲击。六八五团经激战歼敌一部。六八七团切断了日军的退路。六八六团第一、三营与日军展开白刃战。日军虽遭突然打击，战斗力仍非常强大，还能组织起强大的火力进攻。我八路军对日军进行分割包围，多次打退日军突围。东跑池方向的日军回援被围，被六八五团打退。战斗进行到十三时左右，被一一五师围住的日军全部被歼。但驻守团城的国民党军队临阵脱逃，给东路池一带的被围日军留下了机会，使这部分日军得以突围逃走。
　　这次伏击战，由于部署周密，动员有力，指挥得当，所以打出了一个漂亮的歼灭战。此战歼灭日军一千余人，缴获步枪一千余支，轻重机枪二十余支。掷弹筒二十九余具，火炮一门，战马五十三匹，击毁汽车百余辆，马车二百余辆。
　　平型关之战，是我八路军挺进抗日战争前线后的第一仗，也是中国军民歼击日军规模较大的一次。此战之前，侵华日军并未遇到什么抵抗。他们把几十万华北国民党军队驱赶得望风而逃。所以，平型关大捷意义非常重大。它打破了日军不可战胜的神话，打出了中国人抗战的决心，打出了共产党和八路军在全国人民心中的威望。正是由于平型关战斗的意义重大而深远，此战在全国的舆论工具中成了重大新闻，被各报刊登载。林彪作为作战的指挥官在党内的影响更大，在全国也成了知名人物。