9月中旬，阎锡山指挥的第2战区战事紧迫。阎锡山在日寇攻势下压力极大，他随即要求八路军帮助防守平型关。周恩来、彭德怀表示同意。
23日，八路军总部遂电令林彪、聂荣臻率115师主力侧击正向平型关开进之敌。
林彪（1906-1971），湖北黄冈人。1923年6月加入共青团，1925年加入共产党。黄埔军校第四期步兵科毕业。1926年秋在国民革命军叶挺独立团任排长。参加北伐战争。1927年4月任连长，参加第二次北伐战争。大革命失败后，参加南昌起义和湘南起义。任工农革命军第1师1营2连连长。1928年4月随部队到井冈山，任红4军10师28团1营营长、第28团团长。1929年随红4军主力转战赣南、闽西，任第一纵队司令员、中共红4军前敌委员会委员。1930年6月任红4军军长。1932年3月任红1军团总指挥（后改称军团长）。率部参加中央革命根据地第一至第五次反“围剿”作战和长征。1935年9月任红军陕甘支队副司令员兼第一纵队司令员；10月到陕北后仍任红1军团军团长。1936年5月任中国人民抗日军政大学校长兼政治委员。抗日战争爆发后，任八路军115师师长。
聂荣臻（1899-1992），四川江津人。1922年8月加入共青团，1923年春加入共产党。五四运动时期积极参加当地学生爱国斗争。1925年8月由苏联回国，任黄埔军校政治部秘书兼政治教官。1926年秋北伐战争开始后，任中共广东区委军委特派员，随北伐军叶挺独立团进军武汉。1927年参与领导了南昌起义和广州起义。1931年12月进入中央革命根据地，任中革军委总政治部副主任。1932年3月任红1军团政治委员，率部参加中央革命根据地第四、第五次反“围剿”作战和长征。到陕北后，任红1军团政治委员。抗日战争爆发后，任八路军115师副师长、政治委员。
聂荣臻接到电报后，立即率部赶到上寨，与林彪带的第1梯队会合。晚饭过后，林彪、聂荣臻在油灯下摊开了军用地图。
他们一边研究作战方案，一边派人侦察平型关地形、敌情。林彪似乎在犹豫，他知道，部队将要遇上凶悍的劲敌，平型关之战必是一场硬仗、恶仗。可是在9月1日，毛泽东来电要求八路军展开独立自主的山地游击战，“坚持依托山地与不打硬仗的原则”，所以他心有疑虑。
于是，林彪询问聂荣臻：“我们这一仗到底打不打？”
聂荣臻当然不能不考虑中央的意见。但他认为，在日寇凶猛的攻击下，友军锐气尽失，敌人气焰万丈，这场仗关系到军威民心，虽然我们坚持游击战，但在条件有利的情况下，也可打打运动战，21日中共中央不是来电训令：“应以机动灵活的袭击求得消灭敌人小部”吗？
因而，聂荣臻果断地说：“打！为什么不打呢？利用这么好的地形，居高临下，伏击气焰骄纵的敌人，这是很便宜的事嘛。现在不是打不打的问题，而是要在与日本侵略军的第一次交锋中，打出八路军的威风来，给全国人民的抗日情绪来一个振奋！”
在听了林彪对平型关地形的介绍后，聂荣臻与林彪商定马上召集全师连以上干部会议，进行战前动员。中午时分，全师连以上干部除留下值班的以外，全部集中到距平型关东南10公里的上寨小学开会。
动员会议一结束，林彪和聂荣臻便带领指挥员前往设伏点了解战场地形地貌去了。
他们一行爬上了平型关周围的山梁，纵眼四望，寻找用兵的有利地势。这一带多山，但山势不算陡峻。环视一周，山连山，峰连峰，藏下几千人马可不露痕迹。古老雄峻的长城在群山间蜿蜒。长城险隘平型关就坐落在山梁拥绕之间。
往前走，林彪、聂荣臻兴奋起来，地图上所标的狭长地带就在这里！这是一条从东北向西南延伸的狭窄的古道，它从平型关山口通向灵丘县东河南镇。古道中段约十公里地势最险，宽不过三五米，仅能通过一辆卡车，两侧则是斧劈刀削似的危岩绝壁。而在10米到百米深的沟谷中的古道两侧上面，却是比较平缓的沟岸。真是伏兵的好地方！
指挥员们会心地一笑：就在这儿张开口袋，布下天罗地网，狠揍日寇！
返回营地，林彪、聂荣臻接到侦察员报告，日军已进至蔡家峪以东，有明日进攻平型关的动向。他们仔细分析研究，判定敌人必走他们选中的设伏之地，随即下令：343旅本晚24时出发，进入距敌将走的汽车路线仅二三里的白崖台一线埋伏。344旅随后开进。
时间一到，115师主力即从上寨、下关起营，赶往距平型关30余里的冉庄一带集结隐蔽。军队刚开拔，天气骤变，下起了罕见的暴雨，气温急降，秋寒袭人。老天好像专门想考验考验115师官兵的意志。
林彪、聂荣臻传令：紧急行军，不许掉队。战士们明白，战机来之不易，即使下着刀子也得照常出击！
于是，风雨交加中，这支坚强的队伍在泥泞的山沟间深一脚浅一脚地穿行。山洪暴发，水位猛涨，大家手拉手或拽着马尾从齐腰深的急流中过去。
343旅先行，队伍按预定时间抵达目的地时，却雨过天晴，初露曙光。9月25日晨，在平型关一个不引人注目的无名山头上，林彪、聂荣臻设下了指挥部。
现在，林彪、聂荣臻的“口袋”已稳稳布好：343旅之685团由杨得志率领，686团由杨勇率领正埋伏于十里长沟，685团伏于白崖台以西准备消灭关沟至老爷庙的日寇，686团伏于右侧，准备歼灭老爷庙至蔡家峪的敌人；徐海东的344旅之687团，正奉命虎踞于东河南以北的高地，准备断敌后路；688团作为预备队尚未开进阵地；杨成武率独立团、刘云彪率骑兵营也悄然进军平型关的东北面及东面，准备配合主力作战。