在团城口地区防守的部队连日遭日军的攻击，多次求援。当18集团军第115师准备在平型关侧后出击时，孙楚严令第17军坚持抵抗日军的攻击，以第71师由团城口出击，配合第115师歼灭日军。但是第17军军长高桂滋率所部于24日擅自放弃了团城口阵地，使日军占领了团城口、鹞子涧和东、西跑池一带长城线上约2公里的地段。第71师奉令准备越过东、西跑池线的第84师防御阵地，以关沟为目标，出击平型关敌后。该师部队于25日拂晓前通过涧头、迷回向前开进时，突然遭到已经占领团城口、鹞子涧的日军猛烈的炮火袭击，引起部队一片混乱。拂晓后，日军居高临下，北从鹞子涧，南从东、西跑池，将第71师部队压迫在迷回、涧头一侧。此时第18集团军第115师已经展开，向关沟、老爷庙、小寨地区的敌人伏击，牵制了鹞子涧地区日军的行动，才使第71师部队在迷回、涧头间稳定下来。　　

　　平型关东北山地的第115师部队隐蔽设伏时，日军第21旅团后续部队第21联队第3大队和辎重部队一部沿公路向平型关前进。由于雨后道路泥泞，车行缓慢，队伍拥挤。伏击部队待敌人完全进入伏击圈后突然开火，发起冲击。第685团第5连和第686团第1连首先冲到公路上与敌展开白刃格斗，其他部队也迅速冲杀过去。骄横的日军遭到意外打击，不知所措。被击毁的汽车、马车充塞道路。日军行军纵队顿时混乱，兵力无法展开，进退维谷。慌乱的日军想凭借汽车、水沟和老爷庙有利地形进行抵抗。第115师各团第2梯队迅速越过公路夺占老爷庙等有利地形，将日军分割包围起来。此时敌机飞临战地上空支援其地面部队作战，但由于两军纠缠在一起展开近战肉搏，敌机无法发挥其作战效能。激战至午后，辛庄、老爷庙、小寨村一线山谷中的日军全部被第115师消灭。随后第115师部队向东、西跑池之敌进攻。至晚，占领了东、西跑池以北的1886．4高地和东跑池以南的阵地。敌已陷入包围之中。但由于第17军的撤退和第71师被日军压迫在迷回、涧头之间，被围残敌得以乘夜从晋军阵地突围而逃。　　

　　在蔚县指挥作战的日军第5师团长板垣征四郎得知平型关方面第21旅团第21联队被围的情况后，急令当时在蔚县的第21旅团第42联队(欠第2大队)增援。该联队于26日到达平型关后立即投入战斗。由大同南下的关东军独立混成第2旅团的十川支队经浑源也前往增援，在平型关北侧的团城口地区进入战斗，协助第21旅团作战。第18集团军第115师撤出战斗，转移阵地。　　

　　26日，日军与守军第71师和独立第8旅在1886．4高地一带展开激战。在当日下午4时后，敌对双方形成混战状态。27日，第71师在迷回、涧头间受到日军的包围，处于苦战待援的境地。　　

　　第18集团军第115师在平型关战斗中全歼日军1个大队，打死日军1000多人，打伤2000多人，击毁汽车100多辆，缴获炮1门、步枪300多枝、机枪20多挺、山炮弹3000多发及大批军用品，取得了中国抗战以来第一个歼灭战的胜利。