打伏击是林彪的拿手好戏。他在红军长征途中多次组织伏击战，当时国民党军队没少吃红一军团的苦头。聂荣臻在回忆录中对林彪的一个评价是“善于组织大部队伏击”，现在林彪要在这里伏击日军的一支精锐部队。
林彪的兵力部署，目的是拦截日军先头，切断日军退路，实施中间突击，分割歼敌。他保证了伏击日军时在兵力上拥有优势，又部署了足够的兵力阻击日军增援。为隐蔽行动企图，发挥作战突然性，第一一五师首长决定各部队当晚进入伏击阵地，命令陈光旅在0点出发，进入白崖台一线埋伏，徐海东旅随后开进。并要求各部队于第二天 拂晓前完成各项作战准备。
24日夜，部队开始向作战地域运动。为了隐蔽，大多数部队都选择了最难走的羊肠小道。当晚，天空中乌云密布，越来越浓，天越来越黑，黑得像是罩了口锅。不一会儿，瓢泼大雨下了起来。战士们没有雨具，身上的灰布单军装被浇得透湿。
大雨如注，狂风不止，天黑路滑，部队行动十分困难。参战人员不仅成了“水人”，而且变成了“泥人”。山洪暴发更可怕，有些部队要越过河谷，平时河谷没有水，一旦下起大雨，很快就会浪涛奔腾。当晚雨很大，河水很快就齐胸深了。战士们奋不顾身，跳进河水，洪水太急，把一些战士卷走了。他们当中有些人，是经过二万五千里长征来到陕北的老战士，对日军作战是他们多年的宿愿，然而眼看就要面对面打日本人了，却被洪水夺去了生命。
任何军队作战，都无法避免非战斗减员。这些战士却是在战斗前几个小时死于非命，实在令人惋惜。
第一一五师也有工兵营，可以架桥。但是水势凶猛，大雨滂沱，短期内很难完成。战士们只好把枪和子弹吊在脖子上，手拉手结成一条人链，强行渡河。如果洪水不大，这个办法行得通。可是，最后出发的徐海东旅部分部队，就被大洪水拦住了。聂荣臻看到许多性急的战士被洪水冲走，就和林彪商量，建议徐海东旅已过河的一部分做预备队，没过来的就不再强渡，减少不必要的牺牲。林彪同意这个意见。
天亮前，杨得志和陈正湘率领的第六八五团与李天佑和杨勇率领的第六八六团，按计划占领了预定伏击阵地，迅速完成了伏击准备。
独立团和骑兵营已于23日分别向平型关东北和东面开进。24日，独立团在灵丘与涞源之间的腰站与日军遭遇，击毙三百多名日军，为平型关战斗开了个好头。
25日，天刚蒙蒙亮，板垣师团三浦旅团的后卫部队乘坐一百多辆汽车，携带两百多辆大车的辎重，共计约两千多人，沿灵丘至平型关的公路一字前行。
第一一五师的战士们，在伏击阵地上警惕地注视着公路。经过一夜冒雨行军，他们非常劳累，但谁也没有困意。大战之前的紧张和兴奋，弥漫在阵地上。他们先是听到了远处传来的马达声，接着就隐隐约约地看到日军汽车的影子。汽车越来越近，这才发现后面还有一大溜马车。头一辆汽车上插着一面太阳旗，坐着几十个日本兵，头戴闪光的钢盔，身着黄呢大衣，带刺刀的步枪抱在怀里。这些军人装备精良，侵华以来很少遇到有力的抵抗。他们得到的都是东京发来的贺电，上级颁发的嘉奖。他们在车上指手划脚，叽哩哇啦地交谈。在中国的土地上，他们旁若无人，不可一世。
这就是板垣征四郎的部队。板垣算得上武士道的代表人物，在日军中很有些名气。他选择平型关作为迂回路线，是因为他知道，这里是山西与河北交界的地方，是中国守军比较薄弱的环节。因此，板垣的部队在这里疏于防备。
战士们瞪大了双眼，看着进入伏击地域的日军 北上抗日，是八路军战士梦寐以求的事情，但这是他们第一次亲眼见到日本人，几乎每个人都瞪大眼睛，想把东洋的对手看个清楚。以前心里总是想：“日本人到底是什么样子呢？”这下他们看清了，原来日本人的长相与中国人差别不大，没有三头六臂，但是据说很能打仗。大敌当前，战士们上好刺刀，在枪膛里压满子弹，机枪射手们已经瞄准了目标，只等着指挥员一声令下。
７点左右，日军全部进入伏击地域。由于道路狭窄，雨后道路泥泞，日军的车辆人马拥挤不堪，行动十分缓慢。第一一五师抓住有利战机，全线突然开火，给日军以大量杀伤，并乘日军混乱发起冲击。日军最前面的汽车已被打坏着火，后边的汽车、大车和骡马挤在一起，走不动了。日军被突如其来的伏击打晕了，跳下车四处散开。他们大约做梦也没有想到，会在白天遇上这样猛烈的打击。
日军精锐三浦旅团的惊慌失措很快就过去了。这些经过长时间训练的日军官兵，本是一支战斗力很强的部队。他们从最初的懵懂中清醒过来，像一头伤口初愈的猛兽，恢复了骄横凶狠、毒辣残忍的本性，指挥官举起军刀扯破嗓子嚎叫，躲在汽车下面的士兵爬了出来，拼命往山上攀登。
执行拦头和侧击任务的是杨得志的第六八五团。这个团原是红军主力部队，下辖的三个营都有光荣战史。第一营是朱德从南昌起义带出来的；第二营是跟着毛泽东参加秋收起义上井冈山的；第三营是黄公略领导的红三军的底子。许多战士都是经过长征的老战士。第一营营长刘正、第二营营长曾国华和第三营营长梁兴初，都是红军干部，当过团一级的领导。