三浦敏事这个老鬼子的伏击设想很简单，那就是利用第21旅团的所有汽车战车伪装主力往蔚县前进，为了诱使八路军115师上当，三浦敏事下令所有汽车和战车速度放缓，以期予115师能追上的感觉。可惜这老鬼子太过自以为是，就在他在于留家庄乡一带布置伏击阵地时，情报处的李克农正饶有兴致地通过间谍卫星看着拍摄下的鬼子们拙劣表演的一系列卫星照片，只觉得好笑，并及时将鬼子伏击阵地的兵力部署向军委做了汇报。
毛择东立即指示，将第21旅团残部的兵力布置及火力配置直接发给115师。接到情报后的林颩随即紧张地忙碌起来，他分析判断，三浦敏事这个老鬼子比较狡猾，如果己方不派一支大部队佯作追击，很可能115师主力尚未将其彻底迂回包围，恐怕这老鬼子就要逃。于是下令刚刚赶来东泡池的343旅进驻涞源城，并令其出动一个团的兵力配合344旅追击。343旅旅长陈光考虑再三后，决定派李天佑的686团执行任务。
这边李天佑两千多号人一出涞源城，马上就被隐蔽在涞源城附近的鬼子侦察兵发现，并及时向旅团长三浦敏事汇报了李天佑团的动向，三浦敏事立即判断，从该团出动方向来看，这必是要去与追击的115师344旅一个团会合，凭剩下的了两个步兵大队及旅团直属骑兵队、炮兵队、工兵队和通信队近四千人的兵力，完全可以将115师这个先头团解决掉，再回头来收拾后续赶来的李天佑团。
三浦敏事一边命令伪装主力的汽车队继续前进，战车队就近隐蔽待命，若是自己这边设伏的战事吃紧，可以迅速机动增援。耐心等候了十余分钟后，三浦敏事接到突围逃回来的那个中队电报，逃回的帝国士兵已不足五十人，但八路军115师一个团的兵力仍在追击中。三浦敏事立即命令其加快行军速度，引诱115师先头团进入伏击圈。
但是，三浦敏事没有想到的是，追击的那个先头团突然在离伏击阵地尚有十几里的距离停止追击了，三浦敏事马上就察觉到了不妙，但此时的他仍判断115师不可能看出自己的伏击意图，于是决定继续等待这个先头团上钩。可惜足足等了半个小时，也没有见这个先头团有丝毫前进的迹象。
第21联队联队长粟饭原秀大佐和第42联队联队长大场四平大佐先后感觉到了不对劲，向三浦敏事少将提出异议，认为115师方面可能察觉到了己方的设伏意图，建议立即撤离伏击阵地北上转移，否则会有全军覆没的危险。三浦敏事摇了摇头，仍执拗地坚持己见，结果又等了二十分钟，而这个时候，后续赶来的李天佑团也与先头团会合了。
而且，接下来的情况，看得三浦敏事大为吃惊，因为这两个团虽然没有继续追击，却在就地部署防御工事！这意味着什么，很可能意味着自己的伏击意图已被暴露，而115师方面完全可能将计就计对自己实行大包围。
就像是印证他自己的想法一样，此时，旅团参谋本多政少将送来一封急电，这封急电居然是来自战车队！
三浦敏事匆匆看完急电内容，脸色大变，原来，战车队在就地隐蔽待命的时候，突然遭遇中国军队的坦克从背后袭击，三十多辆帝国战车无一生还，战车队队长野原材助为天皇玉碎前及时通过电台发布了这条消息。
三浦敏事急忙命令部队撤退，部队刚刚悄悄下了伏击阵地来到公路上，可就在这时，隆隆炮声突然从远处响起，三浦敏事脸色骤变，紧接着，伏击阵地上就被投下了数以吨计的密集炮弹，猝不及防的第21旅团残部近四千鬼子遭遇了前所未有的打击，不断有鬼子军官和士兵被炮弹命中，给炸得飞上了天空。
几乎是与此同时，四面八方响起了轻重机枪的声音，伴随而来的还有大量远投过来的大量手榴弹，三浦敏事这个老鬼子当场就被炸死，结束了他罪恶的生命。粟饭原秀大佐和大场四平大佐倒是侥幸，虽然被弹片炸伤，却并没有丢命，两个家伙躲在公路边的一块巨石下，企图指挥部队反击，但是敌人的炮弹似乎无穷无尽，根本就没有停歇下来的迹象。更可恶的，敌人居然还动用了手榴弹，这说明敌人已经离己方最远不过七八十米！
密集的炮火和手榴弹打击，令鬼子伤亡惨重，粟饭原秀大佐和大场四平大佐无不期待炮火早些结束，等了十分钟后，炮火总算歇了，手榴弹也渐渐稀疏，粟饭原秀和大场四平立即一跃而起，指挥残存的两千多名鬼子立即逃命。可这时，四面八方惊天动地的呐喊声传来，粟饭原秀和大场四平立即一惊，原来己方被包围了。
更可怕的事还在后面，涞源方向的公路上突然传来发动机的声音，等靠近一看，居然是二十几辆战车，这种战车上一边快速前进的同时，车载机枪正在一名中国士兵的操控下疯狂扫射，倒在血泊中的帝国士兵毫无还手之力，一些来不及反应的帝国士兵甚至给战车撞飞，或者给厚重的履带碾压而死。
粟饭原秀和大场四平慌忙下令部分士兵留下坚决阻击，其他的随自己撤退，但撤退的路上也并不顺利，灭掉了第21旅团的轻型战车团也赶到了这里的战场，彻底封堵了撤退的道路。大批鬼子慌不择路下，往公路两侧的山路逃窜，早已下马埋伏的骑兵旅指战员们立即将轻重机枪弹和步枪弹编织的火网罩向了仓皇逃窜的鬼子。
粟饭原秀和大场四平被当场打死，其他的一些鬼子军官也被埋伏的狙击手射杀。一时间，失去了指挥的鬼子彻底大乱，你推我搡，互相践踏，一些死命顽抗的鬼子躲在草堆里射击，结果无一例外全被狙击手射杀。
这批鬼子跟之前伏击被灭的鬼子没什么两样，死命顽抗到底，得知前线阵地伤亡逐渐增大，林颩青筋暴现，下达了彻底全歼对这伙残余的鬼子命令，并派遣直升机小队中的五架武装直升机参战（直升机小队装备有雌鹿武装直升机五架，另外装备了五架Fa-223龙式运输直升机）。
面对115师陆空两个方面的打击，残余的鬼子全被击毙。
正在涞源城的林颩得知消灭了第21旅团残余鬼子后，很是高兴，嘉奖各部的同时，一边命令迅速打扫战场，统计战果。又命令坦克团和装甲步兵营继续往蔚县开进，彻底歼灭正在往蔚县前进中的鬼子汽车队，半个小时后，坦克团团长彭雄和装甲步兵营营长符竹庭汇报，由于必经公路仅有一条，当轻型坦克团咬住鬼子汽车队后，鬼子汽车队前面的车辆立即夺路而逃，中路的几辆鬼子车辆被坦克炮摧毁，拦住了后面鬼子汽车的退路，装甲步兵营这才从容收拾掉残余鬼子，经统计，共击毙300余名鬼子，缴获了汽车三十余辆。
林颩立即下令彭雄和符竹庭二人安排人员将缴获的汽车开到涞源，这时，所有战果也统计了出来，此次战斗全歼第21旅团七千余人，击毙自少将旅团长三浦敏事以下军官两百多人，缴获完整九二步兵炮十余门，迫击炮和掷弹筒若干，炮弹不计其数，完整步枪五千余挺，完整轻重机枪多达上百挺，大衣数千件，此外还有不少马匹、弹药、粮草等军用物资，缴获的秘密文件甚多，其中就有敌人整个华北作战计划及表示目的之日文地图。
反观己方的损失，可以说是相当轻微，685团伤亡48人，686团伤亡34人，687团伤亡43人，骑兵旅共伤亡53人，轻型坦克团和直升机小队零伤亡，装甲步兵营伤2人，之所以己方伤亡小，主要原因是充分发挥了己方的装甲车、坦克、重炮、迫击炮、掷弹筒以及各种轻重机枪火力优势，根本就不与小鬼子近战接触，加上115师各部队单兵作战素质较高，士气高昂，小鬼子哪里是对手？
当晚，115师参谋处通过卫星电话向八路军总部告捷，彭德怀得知后兴奋得拍桌子直叫过瘾，随即给军委联系，整日等候在军委办公室的毛择东朱德等军委领导听完彭德怀汇报后，个个是喜形于色，朱德随即以八路军总司令名义向第二战区司令部发告捷电：九月十七日，我八路军一一五师在晋北平型关与敌第21旅团七千余人激战一日，将该旅团之敌尽数全歼，敌军被击毙者尸横遍野，我八路军一一五师缴获甚众。
毛择东以军委名义向彭德怀表示：“庆祝我军真正意义上的第一个胜利！”
虽然教导师在淞沪会战和南京保卫战表现突出，但是国民党方面的宣传却是将功劳划在了第九集团军张治中的身上，张治中成了民族英雄，一时风头无两。但一一五师则不同，全国军民都不是傻子，阎锡山将主要兵力全部集结于大同一线，而平型关一带只有八路军一一五师一个师的兵力，可以说，全歼日军第21旅团的功劳肯定落在了一一五师头上，为一一五师所独占。
次日一早，正在武汉大本营的蒋介石以国民政府的名义发表致电祝贺嘉勉。
国内各党派团体纷纷致电祝贺，欧美、东南亚媒体也报道了第十八集团军115师大捷的消息。115师师长林颩更是成为中国军民茶余饭后的谈资，接下来的事情，正如先前所提的那样，越来越多的爱国青年和进步学生加入了前往西北的队伍之中，西北兰州成为无数国人向往的革命圣地。
此战的意义影响深远，因为此战消灭的是日军陆军中号称“陆军之花”的第21旅团，该部的覆灭，给予在侵华以来横冲直闯的日军沉重打击，极大地鼓舞了全国军民的抗日斗志，正如第二战区战地动员委员会主任续范亭所指出的：“平型关战役的特别意义，在于继淞沪会战和南京保卫战之后，再次彻底打破了‘皇军’不可战胜的神话，提高了我们的士气！”
尤其是对于八路军而言，极大地提高了八路军的威信，也提高了共产党的威信，此战之后，中国共产党所领导的八路军和新四军陆续崭露头角，予日军施以沉重地打击，拥军参军的抗日群众越来越多，在中国共产党的领导下，各地的抗日根据地雨后春笋般涌现了出来，侵华日军彻底陷入了人民战争的汪洋大海之中！