计划也要泡汤了——担任主攻任务的部队都没开打，第115师怎么进行敌后攻击？
就在这时，一支几百人的日军辎重部队由东向西进入了第115师的埋伏圈。这支辎重部队从灵丘出发，他们的任务是给平型关的日军运送武器弹药、衣服和粮食。
几乎是在同一时间，一支由80多辆汽车组成的日军运输队由西向东进入了第115师的埋伏圈。经过连日激战，平型关附近的日军伤亡较大，这支运输队就是向后方运送伤兵并补充新兵员的。
第115师冒着大雨连夜设防的努力总算没有白费，他们居高临下对日军发起攻击。在山谷中的日军无法展开队形，进退维谷，只能凭借汽车、水沟进行顽抗。随后，第115师冲入敌阵，将日军分割包围。
在平型关作战的日军得到运输队遇袭的消息后立即抽调3个中队约500人前往救援。然而他们过于狂妄，过分低估了****的作战意志，这几百人的救援部队被第115师685团死死挡在辛庄以西，寸步难行。激战至午后，日军被击毙一千余人，损失汽车一百余辆，辎重部队被全歼，只有少量运输队成员逃出包围圈。
此时，第二十一联队和十一联队第一大队仍处于****的大包围圈中，日军第五师团长板垣征四郎急忙命令第四十二联队从蔚县出发前往平型关增援。此后，关东军混成第二旅团、十川支队、关东军混成第十五旅团陆续增援第五师团，中日两军在平型关附近展开混战。
28日，混成第十五旅团占领了茹越口，直逼繁峙。30日，阎锡山见****渐渐不支，遂下令全线撤退。****向五台山、云中山、芦芽山之线转移，将主力于集中忻县、忻口一带保卫太原。