日本帝國主義為實現其以武力吞併全中國的侵略計畫，繼侵佔中國東北三省和熱河，冀東之後，於1937年7月7日製造盧溝橋事變，悍然發動了全面侵華戰爭。中國駐軍第29軍第37師第110旅廣大愛國官兵奮起抵抗。從此，開始了中國人民偉大的抗日民族解放戰爭。
日本發動全面侵華戰爭後，採取「速戰速決」戰略，從華北、上海兩個戰略方向對中國發動大規模進攻，企圖在3個月內滅亡中國。在華北，日軍佔領平津地區後，迅即從國內增兵，沿平綏、平漢、津浦路發展戰略進攻，企圖迅速殲滅華北地區的中國軍隊，進而奪取察，綏、晉、冀、魯5省，佔領黃河以北廣大地區，8月31日，日軍撤銷中國駐屯軍，成立華北方面軍，以寺內壽一為司令官，下轄第1軍（香月清司，轄第6、第14、第20師團）、第2軍（西尾壽造，轄第10，第16，第108師團）和直屬第5、第109師團、中國駐屯混成旅，臨時航空兵團等。共轄2個軍，8個師團、17個旅團和1個臨時航空兵團及其他特種部隊，外加關東軍察哈爾派遣兵團4個獨立混成旅團和2個支隊，共約37萬人。日華北方面軍根據日參謀總部關於進行華北會戰的命令，於9月4日制訂《華北會戰指導方略》，規定將會戰的重點置於河北中部的平漢沿線，由第1軍擔任該線作戰，第2軍負責津浦路作戰。為保證第1軍在重點方向平漢路作戰，令擔任平綏路作戰的第5師團南下蔚縣，以確保平漢路的右側安全，並從蔚具南下，參加河北中部會戰。
全國抗戰開始時，根據對日防禦作戰的需要，國民政府軍事委員會於8月20日頒布全軍戰鬥序列，並將平漢，津浦路沿線地區劃為第一戰區，軍事委員會委員長蔣介石親兼司令長官；晉、察、綏3省劃為第二戰區，以閻錫山為司令長官。兩戰區擔任華北防禦作戰任務，所轄兵力共6個集團軍，24個軍（軍團、路軍），53個師另21個旅和其他部隊，約60萬人。但由於實行片面抗戰路線和單純防禦的戰略方針，在日軍大規模戰略進攻面前，節節敗退。華北戰局迅速惡化。
根據國共兩黨達成的協議和國民政府軍事委員會8月22日關於將中國工農紅軍主力改編為國民革命軍第八路軍的命令，中共中央軍委於8月25日發布命令，將中國工農紅軍第一，第二、第四方面軍和陝北工農紅軍改編為國民革命軍第八路軍（9月11日，按全國統一的戰鬥序列，改稱為第18集團軍），以朱德、彭德懷為正、副總指揮（9月11日改稱正、副總司令），下轄第115、第120、第129師和總部直屬部隊，共計4.6萬人。8月下旬，中共中央政治局洛川會議確定八路軍的基本任務是：創建抗日根據地，鉗制與消耗敵人，配合友軍作戰，保存和擴大自己。戰略方針是：獨立自主的山地游擊戰。作戰地區為冀察晉綏4省交界地區。
8月22日，正當日軍對華北展開多路進攻，國民黨軍隊節節後退之時，中共中央軍委未等八路軍改編就緒，即命令第115師主力從陝西三原地區誓師出征。8月31日，該師經韓城東渡黃河，至侯馬，乘火車沿同蒲路北上，挺進晉察冀交界地區。9月3日，八路軍總部與第120師主力分別由陝西浸縣雲陽鎮和富平縣莊裡鎮出發，跟隨第115師之後，向華北抗日前線挺進。9月30日，第129師主力亦由富平莊裡鎮出發，東進北上，開赴華北前線。
正當八路軍日夜兼程奔赴抗日前線之際，沿平綏路西進之日關東軍察哈爾派遣兵團於9月13日佔領大同後，以一部繼續向綏遠進攻，主力則沿同蒲路南下。與此同時，日軍華北方面軍第5師團，亦由平綏路東段之宣化南下晉察冀交界地區。中國第二戰區部隊退守平型關至茹越口內長城一線。9月中旬，日軍華北方面軍7個師團沿平漢、津浦路南犯，突破中國第一戰區保定一滄縣防線後，繼續向石家莊—德縣一線進攻，在此形勢下，中共中央軍委主席毛澤東於9月16、17日，向八路軍發出變更戰略部署的指示，指出：敵之戰略計畫是以大迂迴姿勢，企圖奪取太原，威脅平漢路友軍側背，進而實現奪取華北5省的計畫。同時判斷恆山山脈一帶必為日軍奪取晉察冀3省之戰略樞紐。根據這一敵情變化，毛澤東決定，將原來3個師集中配置在恆山山脈一區的計畫，改為分散配置於山西的四角。即：第120師轉至以管涔山脈為依託的晉西北地區；第115師立即進入恆山山脈南段，準備逐漸南移，展開於太行和太岳兩山脈中，第129師於適當時機進至以呂梁山脈為依託的晉西南地區。變更後的部署對敵佔中心城市和交通要道形成四面包圍之勢，對於八路軍保持戰略上的主動，配合國民黨軍作戰，粉碎日軍的進攻，對於獨立自主地進行山地游擊戰、創建敵後抗日根據地，都具有極其重要的意義。
9月21日，毛澤東致電八路軍副總司令彭德懷，強調指出：「今日紅軍在決戰問題上不起任何決定作用，而有一種自已的拿手好戲，在這種拿手戲中，一定能起決定作用，這就是真正獨立自主的山地游擊戰（不是運動戰）。」
根據毛澤東的指示，八路軍總部於9月21日和25日先後對各師發出指示和訓令，要求各部隊「應以機動靈活的襲擊求得消滅敵人小部」，同時，立即在八路軍所到之外，「獨立自主地擔負起群眾工作」，動員群眾，開展群眾性游擊戰爭。根據總部的指示和地區劃分，第115師於9月中旬向五台、繁峙、靈丘等晉東北地區及冀西阜平地區挺進，第120師主力於9月下旬前進到寧武、神他等晉西北地區，其第359旅展開於五台、平山地區活動；第129師準備向正太鐵路以南之晉東南地區發展。
9月中旬，由平綏路東段向西南進攻之日軍第5師團，在由大同向南進攻的察哈爾派遣兵團主力的配合下，迅速向內長城線逼近，企圖突破平型關要隘，殲滅中國第二戰區部隊，從右翼配合華北方面軍主力在平漢路的作戰。至9月20日，日軍第5師團已佔領晉東北的廣靈、渾源和靈丘等地；日軍察哈爾派遣兵團亦進逼晉北雁門關。在日軍的進攻下，中國第二戰區決定在平型關—雁門關—神池內長城線組織防禦，憑藉長城天險，阻止日軍進入山西腹地。部署楊愛源所部第6集團軍（轄第15、第17、第33軍）擔任右翼北樓口至平型關的防禦；傅作義所部第7集團軍（轄第34、第35、第19、第61軍）擔任左翼北樓口以西至神池沿線防禦。9月21日，日軍第5師團第21旅團一部由靈丘向平型關迸犯，其後續部隊亦有向平型關開進之模樣。第二戰區決心集中4個師和2個旅的兵力，殲滅平型關之敵。同時致電八路總司令朱德稱：「我決殲滅平型關之敵，增加8個團的兵力拂曉可到，希電林師（即第115師）夾擊敵之側背。」
為了配合友軍作戰，八路軍總部按照中共中央軍委關於調整戰略部署的指示，令第120師進至雁門關以西的神池地區，側擊由大同南犯之日軍；令第115師進至平型關以西之大營鎮待機，準備側擊進犯平型關之日軍。第115師奉命趕到大營鎮後，立即偵察平型關方向的敵情、地形，獲悉日軍第5師團正由渾源、靈丘，淶源分3路向西進攻，各路相距較遠，兵力分散，進攻平型關方向的日軍約1個旅。平型關山口至靈丘縣東河南鎮，是一條由西南向東北延伸的狹長穀道，其間，關溝至東河南鎮長約13公里的地段，溝深路窄，甚為險要，兩側高地便於隱蔽部署兵力，發揚火力和展開突擊，是伏擊殲敵的理想戰場。據此，第115師決心抓住日軍驕橫、疏於戒備的弱點，利用平型關東北有利地形，出敵不意，以伏擊手段殲滅由靈丘向平型關進攻之日軍，配合友軍作戰，並報請軍委和八路軍總部批准。第115師即令第343旅由大營鎮前出至平型關東南之上寨地區，隱蔽集結，令第344旅向上寨地區機動。
22日，日軍第5師團第21旅團一部，由靈丘向平型關進犯，並佔領東跑池地區。23日，八路軍總部命令第115師向平型關、靈丘間出動，側擊該敵。當日，第115師師長林彪、副師長聶榮臻在上寨召開連以上幹部會議，進行深入的戰前動員。當夜，師部率主力進至平型關東南15公里的冉庄地區。24日，第二戰區第6集團軍送來《平型關出擊計畫》，擬定以第71師附新編第二師及獨立第8旅一部，配合第115師向平型關以東之日軍出擊。同日，第115師師長林彪、副師長聶榮臻組織幹部現地勘察後，確定在平型關東北關溝至東河南鎮道路兩側高地，採取一翼伏擊的戰術手段，殲滅由靈丘向平型關進攻之敵。
具體部署是：令師獨立團和騎兵營插到靈丘—淶源—廣靈之間地區活動，擾亂敵之後方，鉗制和打擊增援平型關之日軍。以第343旅2個團擔任主攻，其第685團佔領關溝到老爺廟以東高地，截擊日軍先頭部隊，協同友鄰圍殲進入伏擊地域之敵，並阻擊由東跑池向老爺廟回授之敵，爾後，協同防守平型關之國民黨軍夾擊東跑池之敵，其第686團佔領老爺廟至