115师在灵丘以南的上寨村，召开了全师连以上干部会议，制定了初步计划。
24日，友军第二、第六集团军送来了“平型关出击计划”，拟定71师附新编第2师以及独立8旅一部，配合八路军115师，向平型关以东的日寇主动出击。
为了打好这一仗，115师对平型关以东的山势、河沟、村庄和道路进行了详细勘察，又对西跑池、东跑池公路到乔沟至东河南的整个峡谷进行了详细勘察。重点勘察了老爷庙前的地形和乔沟南侧的山地地貌，制定了一个完整的伏击战计划，准备布下一个口袋阵，全歼进入伏击阵地的日寇。
经过战前动员会议，115师各部队明确了各自的埋伏地点。战斗发起之前，115师在冉庄集结。24日傍晚，随着115师师部一声令下，各旅团分头出击，第343旅进入白崖台一线埋伏阵地，第344旅随后跟进。
24日午夜24时，部队按时开进，为了隐蔽的需要，以达到出奇制胜的作战目标，各部队冒着狂风暴雨，选择了崎岖难走的小路。即便暴雨引发了罕见的山洪爆发，也没能挡住战士们前进的步伐。
25日拂晓前，经过连续一夜的风雨急行军，115师各旅、团均按照预定时间进入了伏击阵地，并迅速构筑防御工事实施伪装，布好了口袋阵，专等着日寇来钻了。
凌晨7时许，日军第5师团第21旅团后续部队乘汽车100余辆，附辎重大车200余辆，由东向西缓慢地进入乔沟峡谷公路。当日军先头部队进入关沟与辛庄之间的叉路口时，早已埋伏好的115师685团、686团、687团同时开火，步枪、机枪、手榴弹、迫击炮的火力倾泻而下，发起了猛烈攻击。
自七七事变后，面对节节败退的国民党军队，已经嚣张到忘了自己姓什么的日寇，一直都在攻城略地，根本没有想到，会杀出一支奇兵主动向他们发动进攻。在115师各部队的猛烈打击下，嚣张到毫无戒备的敌人，被打的人仰车翻，一片混乱。趁此时机，115师各部对陷入混乱的日军实行分割、包围，弹药不足就冲下山与敌进行白刃格斗。
乔沟伏击战打响之后，位于乔沟东北侧的老爷庙，成了争夺最为激烈的制高点，为了控制这个制高点，敌我双方展开了殊死较量。
随着李团长的一声令下，686团的战士们冲下公路，把日寇部队分割成了几段，依靠优势兵力和敌人展开了白刃战。只见枪托飞舞，马刀闪闪，吼杀声、爆炸声响成一片，杀的日寇鬼哭狼嚎、尸横遍野。
经过半个多小时的浴血拼杀，见识了我八路军战士的英勇无畏，被打怕了的日寇，终于放下了不可一世的嚣张和狂妄，纷纷钻到了汽车底下。自七七事变以来，在平型关战役的主战场上，我军终于在气势上碾压了日寇，让他们认识了真正的中国军人。