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因此當時第六集團軍司令官楊愛源，下令所指揮的華軍，分成五支部隊，開始滲入日軍後方，進行攪亂日軍在平型關後方的戰線，對於日軍補給線進行游擊戰。而其中林彪師共有一萬多人，奉命在平型關的東南方，屬於右翼助攻部隊，進行敵後游擊。

由於蔣介石將固守山西高原，當成華北作戰的戰略重心，因此調派大量的部隊支援第二戰區的閻錫山，山西更是閻錫山所經營的「獨立王國」，長達二十年以上，當然不容日軍輕易得逞。大同既失，華軍決心全力在內長城防線，進行固守決戰。平型關是這個戰線的一個防禦重點，剛好日軍第五師團，由靈邱向平型關進軍，於是閻錫山與傅作義、楊愛源商議，指揮包括中央軍、晉軍以及八路軍，在「平型關」一帶進行口袋戰術佈陣，準備包圍與反擊日軍長趨直入的攻勢，以鞏固太原的外圍防線。m.hetubook.com.com

而所謂八路軍的林彪一一五師所創下的平型關「大捷」，只是這場作戰中的一個小型伏擊戰而已（單獨地伏擊到日軍一支補給車隊〉。當時眞正防衛平型關的是劉奉濱師，屬於孫楚指揮，在他的右翼是劉茂恩軍團，高桂滋軍，左ｗｗw.ｈｅｔｕｂｏｏｋ•com.ｃom翼則是傅作義軍、陳長捷軍，日軍的第五師團與第二混成旅團，猛攻平型關陣地，展開血戰，日軍部隊於九月二十一日發動側翼攻擊，越過平型關戰線，而深入華軍所佈置的戰線口袋之中，兩軍陷人激戰。

九月二十五日凌晨，林彪師以秘密靈活的游擊運動方式，在小寨附近的土溝，逼進日軍一支營級（大隊）的運輸補給部隊，然後發動近距離的突擊，在半天的戰鬥中，全殲了這支總數在五百人以內，以後勤支援為主的日軍部隊，僅抓到俘虜一人（後來還是讓他逃脫了），擄獲步槍兩百枝而已。只是當時八路軍的戰報誇張戰果，說成林彪一一五師與日軍萬餘人作戰，擊斃日軍四m•hｅｔｕｂｏok•ｃom•ｃoｍ千餘人，是與實情有極大的出入。整個平型關作戰，是一場硬仗，日軍傷亡了四千多人，可是林彪部隊並未參與正面的作戰，只是在平型關戰役中，奉命負責敵後游擊任務而打了一場勝仗，但是稱之為「大捷」，就太過誇張了，同時也扭曲了平型關作戰的整個情勢眞相。

同時日本大本營發現華東作戰，已經轉為新的主力決戰地區，日軍在上海已經感到兵力分配不足的問題了，因此決定從華北方面軍抽調兩個半師團（第六師團與第十六師團，以及國崎支隊），投入上海作戰，這樣一來華北方面軍就根本不可能在華北發動重大攻勢，只有將剩下的部隊，改投入山西作戰，於是整個華北作戰的重心，就「意和圖書外」地轉向山西。而中國方面最為擔心的狀況，即日軍會以大軍越過黃淮平原南下，直撲武漢的作戰，日大本營不單是根本就沒有認眞的設想過，此時也不再有軍力加以實施了。

由於日軍第五師團的前鋒部隊，在平型關附近，竟遭到華軍口袋戰術的合圍，而陷入苦戰之中，當然引起日本華北方面軍的震動，因此方面軍要求由山西正北方南下的蒙疆兵團，兵分二路，一路直接參與平型關作戰，以解日軍第五師團前鋒之圍，一路則是繞道越茹口，抄包華軍平型關陣地的側背。在日軍支援火力以及生力軍的趕到之下，華軍為了避免受到日軍的包抄，奉命後撤到忻口陣地佈防。林彪的部隊就此脫離戰場與指撣，轉進太行山北部，開始建和*圖*書立游擊基地，去全力發展共軍的實力了。

第五師團長板垣征四郎本來就是個野心極強的軍人，九一八事變佔領中國東北就是他「蓋世」的功業，如今他那肯低頭讓人，所以板垣決意深入山西，以搶回被關東軍奪去的面子。於是日本第五師團朝向靈邱、平型關以及忻口一線進兵，與蒙疆兵團由大同南下，對太原形成鉗形攻勢。