其编成有：第2战区分为南、北两路军和预备军。北路军前敌总指挥由傅作义担任，南路军前敌总指挥由卫立煌担任，预备军总指挥由阎锡山兼任。
在国民政府调整部署、建立战区，加强华北防御的同时，日本侵略军又加强兵力，大举进攻，华北形势十分危急。在这种情况下，八路军不待改编全部就绪，第115师主力即于8月22日由山西省三原地区誓师出征。
征途上，副师长聂荣臻想和林彪谈谈作战方针问题。林彪低着头，默默地往前走。
八路军出师，举国瞩目。与国民党军队相比，八路军的装备差，军费少，后勤补给困难。在日军进攻面前，国民党军队节节败退。八路军这一仗怎么打？毛泽东认为，第一个战斗关系非常之大，战斗的胜败，对全局有极大的影响。毛泽东要求红军指战员，第一仗“必须打胜；必须照顾全战役计划；必须照顾下一战略阶段”。对日本鬼子作战，第一仗应该怎么打？林彪在考虑，聂荣臻也在思忖。
在西安八路军办事处，聂荣臻和林彪见到了周恩来。周恩来要到太原同阎锡山会商，让聂荣臻也暂留西安。那几天，周恩来向聂荣臻介绍了许多情况。聂荣臻感到，周恩来处理完“西安事变”，对夺取抗战胜利更加充满信心了。
晚上，国民党陕西省政府主席蒋鼎文举行宴会，招待奔赴抗日前线的将军们。席间，蒋鼎文慷慨承诺：派一个专列，送将军们出潼关。
随着北平、天津的失陷，山西自然而然地变成了华北抗战的前沿阵地。山西地形复杂，日军的坦克、飞机、大炮难以发挥作用，又非常有利于八路军开展山地游击战。9月3日晚，聂荣臻同周恩来、彭德怀、徐向前等人乘火车前往潼关，在潼关换乘木船，渡过浊浪滔滔的黄河。
在黄河对岸的风陵渡，阎锡山早已派梁化之在渡口等候，阎锡山还专门派出了由两节车厢组成的专列小火车前往太原。当时，晋北形势很紧，阎锡山觉得不同日本军队打一仗没法向山西人交待，打又没有把握，很希望八路军早上前线，接待工作也安排得较为周到。
车窗外，一片兵荒马乱的凄凉景象。山西1个月前暴雨成灾，数万灾民饥寒交迫，流离失所，从冀绥前线溃败下来的散兵游勇和伤病员四处流浪，无处收容，更加人心惶惶。此景让列车内的聂荣臻心情难以平静。在这个只有小桌小凳的窄轨车厢里，聂荣臻已经感受到了战火硝烟。他找出一份地图，仔仔细细地察看着，仿佛在寻找大显身手的战场。
周恩来在聂荣臻身旁坐下来，问：“荣臻同志，部队要跟日本军队作战，你有什么想法？”
聂荣臻抬起头，凝视片刻，说：“前方战局发展很快，国民党军队纷纷败退。115师要做好单独进行游击战的准备。”
聂荣臻指了指地图，显得很有信心，接着说：“晋察冀绥4省交界地区山岭起伏，地形不错，适合开展游击战争。如果有战机，要好好教训日本鬼子。但我认为，同日本军队作战，不能过分依赖地形，最根本的是要发动群众。”
周恩来头一仰，哈哈哈笑起来，说：“荣臻同志，我们想到一起了。八路军尽管穿了一身国民党军队的军装，武器、弹药、给养等许多问题都没有解决，也不能指望蒋介石，关键是要发动群众，八路军有了群众的支援，一切问题都好办。”
列车到达侯马车站时，第115师师部和徐海东指挥的第344旅正在车站附近集结。
聂荣臻同周恩来、张治中等人分手，回到师部。
这时候，林彪已经带着陈光指挥的第343旅前往灵丘。聂荣臻按照预定计划，带领第344旅前往晋东北。在原平东站，他们遇到了从前方溃退下来的国民党军队，这些溃兵一路退一路抢东西，看到八路军开往前方，感到非常惊讶。一个国民党兵用步枪挑着子弹带和两个包裹，扯着嗓门喊：“弟兄们，想留住脑袋，就回头吧，别逞能了。日本军队有飞机、坦克，炮弹比我们的机关枪子弹还多！”
骑在马上的聂荣臻看到这些溃兵，心中激起一股无名怒火。想起太原东站那些东北流亡学生的热情欢送，想起父老乡亲们一针一线缝制出来的慰问品，想起那一阵阵嘹亮的抗日歌声，心中越发难以平静。他回头说：“通信员，告诉杨成武团长，独立团立即开赴平型关以西的大营镇。”
一场使亿万中国人民为之振奋的战斗拉开了序幕。
洛川会议结束后，毛泽东反复研究侵华日军作战部署和战略企图，及时同八路军前线指挥员交流情况。1937年9月17日，毛泽东致电朱德、彭德怀、任弼时、林彪、聂荣臻、贺龙、肖克、刘伯承、徐向前等八路军高级将领，对战场态势提出了深刻的见解。毛泽东认为：“敌攻华北大约分为4路，总兵力约10～15万人。一路山东，现未出动。又一路津浦线，约一个半团，现攻至马厂。又一路平汉线，约1个师团，现在涿州以北未动。又一路平绥、同蒲线，约3个师团，为其主力，以大迂回姿势，企图夺取太原，威胁平汉线中央军而最后击破之，夺取黄河以北。以此姿势，威胁河南、山东之背，而利于最后夺取山东，完成其夺取华北5省之企图。其总的战略方针，是采取右翼迂回。至于上海进兵，于破坏中国经济命脉外，又钳制中央军之主力，以便利其夺取华北。以上是对日寇第一期作战计划之基本判断。”
毛泽东还指出：“日寇右翼之主力，又分为3路，均以追击姿势前进。一路沿平绥东段、同蒲北段攻雁门关，判断约一师团，占大同后，现未动。一路由天镇占广灵后，向灵丘、平型关进攻，系向晋绥军行右翼迂回。一路由张家口占蔚县后，有攻涞源之势，系向卫立煌军及紫荆关部队左翼迂回。此两路判断系组成联合兵团，至少2个师团，以第一步中央突破之姿势，达成其第二步分向两翼迂回之目的。”
在分析国民党军队的态势时，毛泽东指出：“蒋以卫立煌军处于敌之包围中，令其向平汉线撤退。阎以灵丘为山西生命线，拟集中14个团在平型关以北举行决战。判断如决战胜利，则敌之南进可稍延缓，但必增兵猛攻。如决战失败，敌必速攻平型关、雁门关，待后路预备兵团到达后，主力直下太原，使绥远西境之晋绥军、恒山山脉南段五台等处之各军、平汉北段之各军，均不得不自行撤退，彼可不战而得上述各地，娘子关之天险亦失其作用。”
这一分析中，毛泽东两次提到平型关，可见平型关战略地位重要，可见毛泽东胸怀全局，对平型关战役早有预见。
毛泽东在分析阎锡山集中14个团在平型关以北地域进行决战时，看到了“决战胜利”
与“决战失败”两种可能，并明确指出，日本军队“速攻平型关”带来的严重后果。这使八路军将士更加关注平型关这个要点。
关于日本军队的战略方针意图，毛泽东说得更明确。这就是：“涞源、灵丘为敌必争之地。阜平、五台、盂县如无南北公路，或可暂时不被敌占；如有南北公路，敌有出一支向南切断正太路之可能。不论如何，恒山山脉必为敌军夺取冀察晋3省之战略中枢，向此中枢出动主力，此点已为浑源、蔚县、广灵之被占所证明。”
当时，毛泽东已经看到，晋阎指挥下之傅杨刘汤各军均失锐气，不能确信这些军队能够在现阵地根本破坏敌人战略计划。而八路军此时是支队性质，不起决战的决定作用。但如部署得当，能起在华北支持游击战争的决定作用。过去决定八路军全部在恒山山脉创造游击根据地的计划，在上述敌我情况下，已根本上不适用了。此时如依原计划执行，将全部处于敌之战略大迂回中，即使第二步撤向太行山脉，亦在其大迂回中，将完全陷入被动地位。
根据以上分析判断，毛泽东明确提出了八路军的战略部署问题指出：
“为战略上展开于机动地位，即展开于敌之翼侧，钳制敌之进攻太原与继续南下，援助晋绥军使之不过于损失力量，为真正进行独立自主的山地游击战，为广泛发动群众，组织义勇军，创造游击根据地，支持华北游击战争，并为扩大红军本身起见，拟变更原定部署，采取如下之战略部署：我二方面军应集结于太原以北之忻县待命，准备在取得阎之同意后，转至晋西北管涔山脉地区活动；我四方面军在外交问题解决后，或在适当时机，进至吕梁山脉活动；我一方面军则以自觉的被动姿势，现时进入恒山山脉南段活动，如敌南进，而友军又未能将其击退，则准备依情况逐渐南移，展开于晋东南之太行太岳两山脉中；总部进至太原附近，依情况决定适当位置。”
毛泽东发出这份电报时，离平型关大捷只有8天了。
大敌当前，毛泽东把对敌情的判断和八路军的战略部署坦率地告诉前线指挥员，并提出“你们意见如何？请考虑电复”。这充分反映了八路军的军事民主，这是集中大家的智慧和力量，不断歼灭敌人，发展壮大自己的基本要素。
当时，第二战区的阎锡山处于退无以面对山西民众，进则无必胜之把握的境地之中。彭德怀分析，阎锡山放弃平型关，企图在沙河决战的决心是动摇的，这种估计是完全对的。抗日开始不久，阎锡山的部下全无决心，阎锡山的军队已失去战斗力，也许在雁门关、平型关、沙河一带会被迫地举行决战，然而大势所趋，必难持久。毛泽东认为，不管阎锡山军队的决战胜败如何，太原与整个华北都是危如累卵。
八路军中，少数同志对于这种客观的必然的趋势，似乎还没有深刻认识，被暂时情况所诱惑。如果这种观点不变，势必八路军也同阎锡山相似，陷入于被动的、应付的、挨打的、被敌各个击破的境遇中。
9月21日，毛泽东致电彭德怀，对第二战区的形势作出进一步判断，再次重申八路军必须坚持独立自主的山地游击战原则。
对于林彪提出的以陈光指挥的第343旅集中起来，相机给敌以打击，暂时不分散的设想，毛泽东认为，这种一个旅的暂时集中，当然是可以的，但如果许久还无机可乘时，仍以适时把中心转向群众工作为宜。毛泽东还提出，王震率一个团暂时到五台也是可以的，但请注意到适当时机仍以转赴晋西北为宜。依情况判断，林彪率陈光这个旅即使能打一两个胜仗，不久也须转向五台来的。
毛泽东处处着眼于大处，着想于全局。
林彪盼望集中兵力打一两个胜仗的战机，终于出现了。
2.漂亮的伏击战
“七七”事变后，贪得无厌的日本帝国主义完全撕去了伪装和平的面纱，企图以蛇吞象，不断向华北增派兵力。
1937年8月中旬，关东军之混成第2、第15旅团以及新编成的大泉和堤支队到达北平、天津与张北县，企图夺取察哈尔、绥远两省，控制平绥铁路，切断中国同苏联的联系；从国内调来的第5、第6、第10师团也到达了平津地区。日本独立混成第11旅团向防守南口、居庸关的国民党第13军汤恩伯的部队实施正面进攻，并于27日占领张家口。
8月24日，日军参谋本部又从国内抽调第14、第16、第108、第109师团，赶赴华北战场，企图迅速实现夺取华北的战略意图。
8月31日，日军成立华北方面军司令部，下辖第1军和第2军，另1个独立旅团和1个临时航空兵团。这时候，日军在华北的兵力已经有30多万。
当时，由于南口战役和淞沪会战的失利，国内一些人产生了悲观情绪，甚至散布“日本所向无敌”的谎言。国民党第二战区司令长官阎锡山看到日本军队向平型关、茹越口内长城疯狂进攻的嚣张势头，心里直打鼓。为了有效地抗击日军，鼓舞信心，中国共产党和八路军的领导人周恩来、朱德、彭德怀先后多次同第二战区的指挥官阎锡山、黄绍疣、卫立煌等人进行会谈，对保卫山西的作战计划和兵力部署问题，提出重要建议，并希望成立战地动员委员会，发动和组织群众抗击日军。
阎锡山是山西省五台县人，1901年入山西武备学堂学习。1904年赴日本，在日本陆军士官学校就读，回国后曾加入在军人中成立的铁血丈夫团，任山西新军标统。辛亥革命爆发不久，阎锡山参加太原新军起义，被推为山西都督。军阀混战，阎锡山以山西为根据地，不断扩展自己的实力，曾任国民革命军陆海空军副总司令兼山西省政府主席，人称山西的“土皇帝”。阎锡山日夜关注日军进攻山西，他认为，要保卫山西腹地，就必须凭借长城一线山地的有利地形，这些地形上的既设阵地，能阻止日本军队的进攻。为此，阎锡山决定调整部署，把第6集团军的3个军和第7集团军的4个军分别部署到平型关、茹越口、雁门关一线，并要求八路军先头部队迅速前进至晋东北地区，协同第6军和第7军的部队坚守长城防线。
日本军队果真所向无敌吗？八路军将如何顶住国民党几十万军队的溃败的压力，给日本军以重击呢？
这些天，林彪和聂荣臻时刻都在关注着战局的变化，都在分析日军的动态。他们看到，日本军队虽然来势凶猛，但官兵骄横，疏于戒备，这是致命的弱点。平型关周围的地形是伏击战的好战场。他们决心，以伏击手段，出其不意地歼灭由灵丘向平型关进犯的日军。
打一个漂亮的伏击战，这是对友军的有力配合。伏击战，是预先把兵力兵器隐蔽地配置在敌必经之路附近，待敌或诱敌进入伏击区域，突然予以打击。伏击战常常能收到出奇制胜的效果，是弱军战胜强军的有效战法。中国古代兵家重视伏击战，八路军将领受中国传统军事思想的熏陶，谋略高超，指挥精湛，伏击胜敌的把握大。
9月14日，第115师的先头部队进抵大营镇，部队顾不上宿营，立即派出侦察分队，开始侦察平型关周围的地形。
为了抓住有利战机，林彪和聂荣臻命令第343旅从大营镇出发，前往平型关东南的上寨地域隐蔽集结；命令第344旅向上寨地域机动。
9月22日，日军第5师团第21旅团的部分兵力开始从灵丘向平型关方向进犯。
9月23日，聂荣臻率领第115师司令部和第344旅插到平型关东南的上寨镇。
进寨不久，一群国民党军队的溃兵也拥进村寨，到处抢东西、砸店铺。聂荣臻见状后，叫一名营长出面制止。看到那名营长咬牙切齿的样子，聂荣臻又吩咐说：注意，不可动手，更不可动枪，把他们轰跑就行。正说着，林彪同两位参谋来了。
聂荣臻迎上前去，问：“林彪同志，前面情况怎么样？”
林彪显得很有信心，说：“日军前锋已经逼近东跑池，阎锡山的平型关防线岌岌可危。我在这里转了几天，地形不错，可以打一仗。”
林彪的判断是有根据的。第115师向晋东北抗日前线挺进时，日本第5师团已侵占阳原、蔚县、广灵，并向浑源、灵丘进攻，企图突破平型关、茹越口要隘。9月16日，第5师团、第21旅团以及第21联队主力由广灵西进，占领深源县城。20日，第21旅团以2个大队的兵力南下。占领灵丘县城，向平型关逼近。关东军察哈尔派遣兵团也由大同南下向国民党内长城防线进攻。接着，林彪摊开地图，把平型关周围的地形和自己对第115师的作战设想向聂荣臻作了具体介绍。