不分出大量兵力保护补给线，进攻忻口的势头也因此大打折扣。
十一月下旬，一则关键情报传到八路军总部：日军第五师团的辎重联队，将从灵丘出发，运送大批粮食、弹药、油料，支援正在忻口前线作战的第五师团主力。这支辎重联队兵力约两千人，配备少量装甲车与骑兵，因一路未遇有效抵抗，戒备相对松懈。
“这是天赐良机！”八路军副总指挥看着情报，眼中精光一闪，“拿下这支辎重联队，既能切断忻口日军的补给，支援正面战场，又能缴获大批物资补充自己，还能让全国人民看看八路军的战斗力！”当即下令：由115师师长率领115师主力，在日军辎重联队必经的平型关设伏，务必打一场漂亮的歼灭战。
平型关地处晋东北，两侧是陡峭的山崖，中间是一条狭窄的公路，形如“口袋”，是设伏的绝佳地形。林师长率部抵达平型关后，立刻展开部署：以343旅为主攻部队，埋伏在公路两侧的山崖上；344旅负责阻击日军增援与断后；迫击炮连部署在高地，瞄准公路中段的日军集结点；同时，李辰应八路军请求，从华北机场抽调的十架轰炸机也已抵达指定空域，随时准备提供空中支援。
“弟兄们，李将军给我们送来了好枪好炮，还有飞机支援，这一仗，我们必须打赢！”343旅旅长在战前动员时，挥舞着拳头大喊，“让小鬼子知道，八路军不是好惹的！”士兵们握着崭新的步枪，腰间挂满子弹，迫击炮手校准着炮口，眼中燃烧着杀敌的怒火。
十一月二十五日清晨，天色微亮，平型关的公路上响起了汽车的轰鸣声。日军第五师团辎重联队的车队缓缓驶来，百余辆汽车、马车首尾相接，满载着弹药、粮食与油料，士兵们坐在车上，有的闭目养神，有的闲聊打趣，根本没意识到死亡的阴影已然笼罩。他们自恃装备精良，又从未在山西遇到过大规模伏击，戒备心降到了最低。
“目标进入口袋，准备攻击！”林彪通过无线电下达命令，声音低沉而坚定。
当日军车队全部进入伏击圈，公路中段的信号弹骤然升空。“打！”随着一声令下，两侧山崖上的八路军将士同时开火，密集的子弹如同暴雨般倾泻而下，迫击炮也对准日军车队发起轰击。日军的汽车瞬间被击中，燃起熊熊大火，油料泄漏引发连环爆炸，公路上顿时一片火海。
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