七七事變後，日本帝國主義為實現速戰速決的戰略企圖，迅速從日本國內、駐朝鮮的部隊和關東軍抽調兵力增至平、津地區，戰火立刻蔓延到整個華北。為解華北危局，不待改編就緒的八路軍115師分兩批於8月22日和25日由陝西省三原縣出發，經韓城縣芝川鎮東渡黃河，沿同蒲鐵路向晉東北抗日前線挺進。
日軍佔領北平和天津後，日軍華北方面軍和關東軍察哈爾兵團在華北的兵力驟增到37萬餘人。
1937年8月，日軍以北平（今北京）、天津地區為出發地，兵分三路發起進攻。第一路以1個半師團的兵力沿津浦路向南進犯；第二路以1個師團的兵力沿平漢路南犯，進窺河南；第三路以3個師團的兵力沿平綏路東段，同蒲路北段向西進犯。第三路為日軍主攻方向，其西進的企圖是由晉北打開通路，殲滅國民黨第二戰區主力，攻佔太原，以大迂迴的動作，迫使國民黨的軍隊撤退，達到不戰而佔領華北五省的目的。
為了實現這一企圖，西進的日軍又兵分兩路向太原方向推進：一路由關東軍察哈爾派遣兵團和兩個獨立混成旅團，沿同蒲鐵路南進，經雁門關直取太原；一路由日軍第5師團向渾源、靈丘進攻，企圖突破平型關與沿同蒲鐵路南進之敵會師雁門關。
雁門關、平型關是國民黨軍長城防線的兩道關口，也是日軍進攻太原的必經之地。日軍一旦攻取兩關，即可長驅直入，兵臨太原城下，太原唾手可得。由於雁門關地勢比平型關更為險要，又有重兵把守，難以從正面奪取，而平型關地處山西和河北交界的地方，是個比較薄弱的環節。因此，日軍將其主力第5師團用於平型關方向，企圖由平型關一舉突破長城防線，取下代縣，卡斷雁門關後路，從背後攻取雁門關，然後與雁門關正面的日軍合兵一處，直撲太原。
進犯平型關的日軍，是其陸軍中的王牌——第5師團。它編成於明治21年，是日軍部隊中歷史最長的師團之一，曾參加過第一次中日戰爭和日俄戰爭，為日本帝國主義的對外擴張立下了赫赫戰功。它的指揮官板垣征四郎是有名的中國通，「九一八」事變時他在關東軍當參謀，當時的軍銜是大佐。「九一八」事變之後，日本在東北組織偽滿洲國，板垣征四郎作為關東軍的代表同溥儀進行了談判。正是因為他組織傀儡國有功，所以在盧溝橋事變爆發之前，就已升任為中將師團長了。
而此時的國民黨軍，由於執行對日消極抵抗政策，作戰又缺乏信心，因此，在日軍強大的攻勢面前，節節敗退，致使日軍頻頻得手。8月底，西犯日軍即佔領了南口、張家口，至9月中旬，又攻陷大同、廣靈和蔚縣，矛頭直指太原。
在板垣的帶領下，日軍第5師團繼攻取陽原、蔚縣、廣靈之後，又氣勢洶洶地殺往渾源、靈丘，直逼國民黨長城防線。9月16日，第5師團第21旅團以其第21聯隊主力由廣靈進佔渾源縣城。同日，第5師團第9旅團主力由蔚縣南下，佔領淶源。20日，第21旅團又以2個大隊的兵力南下，佔領了與平型關近在咫尺的靈丘。對日軍來說，攻佔平型關已指日可待。平型關頓時陷入十分危急的境地。
平型關，古稱「瓶形關」，這個因關前谷地形狀如「瓶」而得名的雄關險隘，自古就是兵家必爭之地，曾經是漢武帝劉徹北擊匈奴、北宋楊家將抗遼守邊之所。它位於山西省靈丘縣西喬溝一帶，是古長城上的重要隘口。關口北面是恆山山脈，南面是有名的佛教聖地五台山。這裡層巒疊嶂，幽谷深邃，最險要的喬溝段，長約7公里，四周崖高數丈，陡峭如削，一條狹長山路蜿蜒其間，東通冀北，西抵雁門，是晉冀兩省的門戶。