1937年9月23日，八路軍第115師在師長林彪、副師長聶榮臻指揮下，秘密集結(jié)在平型關(guān)東南地域，準備配合晉綏軍向日軍出擊。當日下午，八路軍總部轉(zhuǎn)來了晉綏軍前敵總指揮傅作義的電報，稱向平型關(guān)出擊的8個團兵力于24日拂曉可到，希望第115師到時夾擊日軍的側(cè)背。

由于時間很緊，林彪、聶榮臻結(jié)束干部會議，要他們回去迅速進行動員，當晚師主力就趕赴距離平型關(guān)以東約15公里的冉莊地區(qū)集結(jié)待命。部隊出發(fā)后，師部電臺也準備關(guān)機出發(fā)，這時收到了八路軍總部發(fā)來的一封加急電報，是傅作義稱部隊尚未集結(jié)完畢，要求將出擊時間推遲一天。林彪、聶榮臻感覺氣憤，只好命令部隊繼續(xù)準備。

到了24日，林彪、聶榮臻又帶領(lǐng)營以上干部前出進行了現(xiàn)地勘察。為了熟悉戰(zhàn)場環(huán)境，林彪曾先后三次前往平型關(guān)附近勘察地形，可見他對這次戰(zhàn)斗的重視。通過再次偵察獲得的敵情，了解到日軍有約一個旅團兵力（即日軍第五師團三浦支隊6000余人）已推進到平型關(guān)以西團城口及東西跑池一線，正與中方守軍進行激烈拉鋸戰(zhàn)。

林彪經(jīng)過反復(fù)勘察和思考后，決心以一部兵力配合友軍向平型關(guān)前的三浦支隊出擊；另以一部兵力部署于關(guān)溝至東河南鎮(zhèn)公路附近高地，利用有利地形伏擊從平型關(guān)逃回靈丘的日軍。如有敵人增援，則堅決阻擊之。

副師長聶榮臻贊同林彪的決心，認為現(xiàn)在已不是打不打的問題，而是要在與日軍的第一次交鋒中打出八路軍的威風來，給全國人民的抗戰(zhàn)情緒來一個振奮。其后，林彪派參謀人員去晉綏軍司令部聯(lián)絡(luò)，將作戰(zhàn)意圖傳達給其指揮官孫楚。當日黃昏，孫楚派人送來了25日凌晨向平型關(guān)前日軍出擊的協(xié)同計劃。林彪、聶榮臻經(jīng)研究后，認為與自己的作戰(zhàn)意圖相符。友軍從西北出擊，第115師從東南出擊，無論怎么打，都可利用平型關(guān)前公路和山地有利地形消滅由此經(jīng)過的敵人。

林彪遂著手進行作戰(zhàn)部署，令陳光率343旅沿蔡家峪至白崖臺以西一線集結(jié)擔任主攻。其中以楊得志的685團配置于白崖臺以西地區(qū)，配合友軍向東跑池及辛莊地區(qū)之敵進攻；以李天佑的686團配置于白崖臺以東公路東南側(cè)，伺機伏擊從平型關(guān)敗退下來的日軍，爾后向東跑池方向發(fā)展進攻；以張紹東687團占領(lǐng)西溝村、蔡家峪、東河南鎮(zhèn)以南高地，斷敵退路并阻擊由靈丘、渾源方向來援之敵；以陳錦秀688團作為總預(yù)備隊。攻擊部隊全部在平型關(guān)東側(cè)山地隱蔽集結(jié)。隨后第115師將作戰(zhàn)部署電告了八路軍總部。

至此，一個在平型關(guān)前與日軍決戰(zhàn)的計劃已告齊備，只等著日軍進圈套了。

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