此役，第115師以劣勢裝備一舉殲滅日軍精銳第5師團第21旅團一部1000餘人，擊毀汽車百餘輛、馬車200輛，繳獲步兵炮1門、輕重機槍20餘挺、步槍1000餘支、軍馬50餘匹及其他大批軍用物資，牽制了日軍第5師團的進攻，支援了平漢鐵路和同蒲鐵路線上的國民黨軍作戰。
平型關大捷是八路軍首次集中較大兵力對日軍進行的一次成功的伏擊戰，這次戰鬥打破了「日軍不可戰勝」的神話，沉重打擊了漢奸親日派的「抗戰必敗」「抗戰必亡」的荒謬論調，給得了「恐日病」的人們當頭一棒，極大地鼓舞了全國軍民抗戰必勝的信心，使全國人民看到了中華民族的希望所在。
這一戰役由於慎重初戰，戰前進行了充分的準備，正確地選擇了戰場並利用有利地形，採取伏擊手段，以及正確地部署和使用兵力，注意隱蔽行動企圖，發揮了戰役的突然性和近戰特長，使日軍飛機、大炮難於發揮威力，因而取得了首戰勝利。
這一勝利，首先在政治上具有重要意義。在敵軍長驅直入、國民黨軍敗退、華北戰局危急的形勢下，八路軍首戰告捷，表現出中國人民確有戰勝敵人的勇氣和力量，使全國人民看到中華民族的希望所在，從而極大地振奮了全國的民心士氣，增強了抗戰勝利信心，提高了中國共產黨和八路軍的聲望，並贏得了國際輿論的稱讚與好評。
其次，在軍事上有力地打擊了敵之瘋狂氣焰，挫傷了敵之銳氣，打破了日軍「不可戰勝」的神話，遲滯了敵軍的進攻，打亂了它的右翼迂迴計畫，並有效地鉗制了敵之精銳第5師團，迫使其將進至渾源和保定的一部分兵力轉移到平型關方向，從而有力地支援了平漢鐵路和同蒲鐵路線上友軍的作戰，同時也為開闢晉察冀邊區抗日根據地創造了有利條件。
這次戰鬥從整個抗日戰爭的歷史看，雖不是大仗，但它震動全國，其意義深遠。
第一，自抗戰以來國民黨軍一直沒有取得好的戰績。當時，南線的淞滬會戰一直處在膠著狀態，中國軍隊傷亡嚴重。保定、石家莊等大城市和平漢、津浦路北段的大片土地迅速淪陷，閻錫山的晉軍也是連續喪師失地。平型關戰鬥乾淨利索地消滅千餘日軍，給予侵華以來橫衝直撞的日軍以沉重的打擊。
第二，平型關戰鬥打破了日軍突破平型關從右翼配合日軍華北主力在平漢路作戰的戰略企圖，遲滯了日軍向山西腹地深入的進攻勢頭，挫傷了日軍的銳氣，使之不敢再貿然深入。為國民黨方面部署忻口會戰提供了時機，從而也就有力地支援了中國正面戰場的抗戰。
第三，八路軍以遠遠不如國民黨軍隊的簡陋裝備，主動迎戰日軍精銳師團，並首戰大捷，極大地提高了八路軍的聲望，提高了中國共產黨的威信。
第四，平型關戰鬥增進了中國共產黨領導人對抗日戰爭規律的認識。毛澤東根據平型關戰鬥的經驗，在1937年9月29日進一步提出八路軍的作戰方針：「根本方針是爭取群眾，組織群眾的游擊隊。在這個總方針下，實行有條件的集中作戰。」不久，他把它概括為「獨立自主的游擊戰和運動戰」，從而完善了我黨領導抗日戰爭的作戰指導思想。
第二戰區戰地動員委員會主任續范亭也曾著文深刻說明了平型關一仗對當時戰局的意義。他說：「謹按平型關戰役，八路軍的大捷，其估價不僅在於雙方死亡的慘重，而在於打破了『皇軍』不可戰勝的神話，提高我們的士氣。在敵人方面，從南口戰役以來，日寇長驅直入，如入無人之境，在平型關忽然受到慘重的打擊與包圍被殲，使日寇知道中國大有人在，銳氣挫折，不敢像以前那樣的長驅直進。忻口戰役敵人未敢貿然深入，我軍士氣高漲，未嘗不是平型關殲滅戰的影響。」