就在这时，杨勇突然感到一股巨大的力量向他袭来，把他冲倒在地。他想爬起来，可左臂怎么也不听使唤了。身后的通信员惊叫道：“政委，你挂花了”
“别喊，这点小伤算什么”杨勇对通信员说。卫生员过来给杨勇简单地包扎了一下，他又站在指挥位置上。这是他参加革命以来第三次受伤。
李天佑团占领了老爷庙，从公路两侧居高临下，打得日军无处躲藏。这时，日军指挥官才猛醒过来，发现自己战术上失误，挥刀喊叫着，指挥部队争夺老爷庙。但是，双方处于近战胶着状态，日军的大炮和骑兵全都失去了作用，火力优势发挥不了，只有穿着皮鞋的步兵成群地往上爬，在八路军的火力下伤亡。
日军冲上来，马上垮下去。再冲上来，又垮下去。
日军一次又一次冲击，在老爷庙下面集结的日军越来越多，足有五六百人。这时，日军飞机飞来，低空盘旋，寻找机会。但交战双方靠得太近，日机不敢轻易投弹。
战斗进行到下午”点，张天云的第六八七团从日军后面攻上来，日军后部顿时乱了。原来，张天云团将日军后尾部队分割包围在蔡家峪和西沟村地区，抢占了韩家湾北侧高地，切断了日军退路 被分割的日军企图向北逃窜，被张天云团歼灭在蔡家峪东北。随后，张天云团转而南下，配合陈光旅战斗。林彪看到全面攻击的时机到了，发出总攻命令。占据公路两侧的部队迅速发起冲击。
先期进占东泡池的日军一部，回援老爷庙和小寨村的日军，被杨得志团阻截。板垣急令蔚县和涞源的日军部队增援平型关，又被杨成武的独立团和骑兵营阻击在灵丘北面和东面，并在灵丘东面的腰站毙伤三百多人 被围日军在六架飞机掩护下，再次猛攻老爷庙及附近高地，也未能得逞。李天佑团集中全力，在两翼部队协同下，歼灭了被围的日军。1点多，战斗以八路军胜利而告结束。
黄昏，师部命令陈光旅向东泡池的日军展开攻击。东泡池约有两千多名日军，控制着这里的高地。这股日军本是国民党晋绥军的攻击目标，但晋绥军没有按预定计划配合八路军作战，致使日军敢于集中力量向八路军侧翼攻击，企图为老爷庙和小寨村的日军解围。在八路军开始进攻东泡池时，晋绥军又放弃团城口阵地，使日军夺路而逃，丧失了取得更大战果的机会。
平型关战役，战果累累。八路军歼灭三浦旅团一千多名日军，击毁一百多辆汽车和二百多辆大车，缴获一门大炮、二十多挺轻重机枪和一千多支步枪，还有三十万元日币及大量军用物资。这是中国抗战开始以来取得的第一次重大胜利，打破了汉奸和亲日派“抗战必亡”、“抗战必败”的论调。
平型关大捷的消息传到上海，市民浦缉庭的两个女儿爱英和美英，将积攒的四百元糖果钱拿出来，购买两架军用望远镜，分别送给朱德将军和彭德怀将军。
但是，国民党中不赞成国共合作的反动派，还在诬蔑八路军“游而不击”。10月的一天，南京一家小报又登出这种诬蔑八路军的消息。八路军驻南京办事处的李克农处长，寻思着如何向这家报社提出抗议。八路军当时没有实行军衔制，也不佩戴军衔标志。李克农叫人到街上买了一副少将领章和一副少校领章，自己穿上军衣，挂上少将领章，然后让部下打电话把那家报社的总编辑找来。
小报总编辑赶到八路军办事处，见八路军一名挂着少校领章的军官在门口等他，面容严肃地说：“我们处长找你有事。”走进客厅，只见一位仪表威严的八路军将军正襟危坐，将手中的报纸递给他，说：“你们的消息说‘八路军游而不击’，根据是什么？八路军在平型关打了那么大的胜仗，难道你们不知道么？明天登报更正。”
总编辑自然没有什么话可以辩解的，只能承认错误，并且说：“明天一定更正，一定更正。”