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9月19日，一一五师劳师远至，即奉总部命越五台、出长城，于平型关西之大营镇集结待命。21日，朱德、任弼时、左权率总部抵太原，中共中央军委前方军分会立即举行会议。会议讨论山西战局及八路军的作战计划，大家一致同意彭德怀关于配合友军侧击进攻平型关之敌，争取打胜仗，鼓舞士气民心的意见。23日，总部进抵五台之南茹村。当日，朱德、彭德怀下令一一五师选择地形，进入伏击状态，相机出击。24日，一一五师师长林彪，副师长聂荣臻亲临前线，指挥所部三四三旅之六八五团和六八六团，在平型关外设伏。25日晨，部队向正在开进的日军板垣师团二十一联队一部及辎重部队发起突袭。以勇敢顽强的近战肉搏，歼灭日军1000余人，缴获大批军械物资。八路军也付出重大牺牲，伤亡600余人。
自抗战以来，日军在华北横冲直撞，至此，遭到八路军的痛击。英国路透社报道说，日军以前没有与中国有名的红军作战，现在碰上了，就不容易占便宜。
早在洛川会议上，由于对红军作战方针存在着不同的看法，彭德怀和毛泽东曾就红军出师问题个别交谈。彭德怀认为，红军的游击战与运动战有不可分割的关系。而毛泽东作战方针的基点是游击战，这对于驰骋湘鄂赣闽，以劣势装备动辄整团、整旅地“吃掉”国民党政府军的红军将领来说，无疑将是一个战略性的转变。9月12日，毛泽东电告彭德怀：“在和国民党谈判中，应着重解释我军独立自主的山地游击战争这个基本原则”，红军则要“坚持依傍山地与不打硬仗的原则”。9月21日，毛泽东向彭德怀再次强调他的看法：“今日红军在决战问题上不起任何决定作用，而有自己的一种拿手好戏，这就是真正独立自主的山地游击战（不是运动战）。”毛泽东提醒八路军前方将领：“目前情况与过去国内战争根本不同，不能回想过去的味道，还要在目前照样做。”
平型关之战红军付出了重大的牺牲，但给全国带来了华北战场上第一个振奋人心的胜利，在一直被动应战的抗日战场上，树立了一个主动出击挫敌的范例，证明日本皇军并非不可战胜。共产党、八路军的英勇精神和神奇战术，在全国获得很高的声誉。八路军的平型关之捷，为八路军的深入广泛发动群众，开展抗日游击战争，创造了有利的条件。
1937年9月28日，朱德、彭德怀根据在五台山的实地考察，向洛甫、毛泽东、周恩来建议说：“河北涞源，山西灵丘、广灵地区山脉很大，地形比晋西北好，人口不少，粮食不缺。可在上述地区连同浑源、繁峙、五台、盂县，河北阜平一带创建根据地，与晋西北相呼应。这无论对现在和长远来说，都是上策。”一个月后，在聂荣臻的领导下，敌后第一个抗日政权——晋察冀边区政府在这一地区诞生。
9月29日，当日军板垣师团在平型关受阻之际，一支日军从茹越口突破内长城南下。阎锡山退军忻县，晋北地方官吏纷纷南逃。朱德、彭德怀率总部仍驻五台县之南茹村。日本的飞机常常从南茹村上空掠过，但并不知道这里驻着八路军的指挥部。因为群众已经组织起来，奸细混不进来。猖狂南进的日军更没有料到，就在同一时刻，朱德、彭德怀部署八路军一二○师、一一五师主力位于日军由平型关、雁门关攻取太原之两翼侧外；另以4个游击支队挺入日军后方，一部分深入察（哈尔）南、冀西活动，广泛开展游击战争，破坏交通线路，袭击日军的运输队。1937年lO月3日，朱德、彭德怀在给南京国民政府军事委员会的报告中说：“敌白天已不敢运输，改由夜间行动。”“敌后极为空虚，民众抗日情绪很高，对我军热烈欢迎与帮助。”
在这一段时间，彭德怀还陪同周恩来从太原到大同，从雁门关到五台、石家庄、保定各处，与阎锡山、黄绍弦（第二战区副司令长官）、程潜（第一战区司令长官）等人会谈。早在云阳前线指挥部，他已把华北地形摄入他的脑海。他能整日地站在地图前仔细地看着、沉思着。曾多年跟随他作战的红军指挥员李寿轩回忆说：“彭老总不是在看地图，是在读地图，‘吃，地图呢。”现在，晋北、晋东地形更详尽地展现在他的眼前—— 山西的地形是极不利于依靠飞机、坦克、大炮的日本侵略军的。友军节节败退，除去畏敌、军纪败坏等因素外，其呆拙的战法也使彭德怀愤慨不已，在总部与朱德、任弼时、左权论及时说：“日本皇军不可战胜，是神话。如果八路军经常有二十万，有蒋介石嫡系军的装备，再附加若干炮兵，国民党军依险防守，我军机动作战，灵活打击敌人，把群众发动起来参加抗日斗争，山西是难以打进来的。”
1937年lO月5日，日军越长城南下，猛攻崞县，进逼忻口。忻口为太原平原的北大门，相传因汉朝的第一个皇帝刘邦在平城（今大同东北）被匈奴围困40日，脱险后回师驻扎该地，将士忻然而得名。现在，这里却硝烟弥漫，成了华北战场最吃紧的地方。阎锡山以50个团守忻口中央阵地；以lO个团为右翼，归朱德、彭德怀指挥，实行侧击。由中央军之十四集团军总司令卫立煌任忻口前敌总指挥。
10月6日黎明时分，在搏动着中国共产党心脏的延安凤凰山下，毛泽东坐在窗前，尚未就寝。忻口战役即将开始，他经过一夜熟虑，提笔同意前方总部积极出击，配合阎锡山、卫立煌正面阵地作战的意见。毛泽东提出以一一五师主力北越长城，从东线袭击敌人后方交通线，与一二○师主力在西线之行动配合，阻止日军向山西正面之攻击。他估计：如此，则一一五师“因转移与作战频繁，要准备付出相当代价，即准备减员二千至二千五百”。毛泽东支持华北作战较长久之战略目的，有很大意义。
10月上旬的后几日，八路军英勇挺进敌后，不断出击；中央军卫立煌部由平汉前线源源开赴忻口布防；从抗战以来，华北战场上相持最久，规模最大的一次战役，随即在忻口以北展开。
当日军在忻口正面遭到守军抗击之际，八路军一一五师把从代县经平型关、灵丘至张家口的敌后东路交通要道完全破坏，收复灵丘、广灵等数座县城，并以一部深入河北，收复冀西数县，直逼保定。一二○师卡断了日军从代县到大同的西路交通，两度攻占雁门关，收复雁北数县，使忻口之敌陷于孤立无援、前后被包围的困境。10月24日，卫立煌在给蒋介石之密电中称：“敌自雁门关被截断，粮秣极感困难。”
10月8日，彭德怀赴忻口，陪同周恩来与卫立煌商谈忻口布防及八路军配合问题。卫立煌心情焦灼地谈到，敌机每日清晨即来我方阵地侦察，继即以数十架飞机轮番轰炸，对阵地威胁最大，一天几乎要损失一个团的兵力。
当夜，彭德怀返回总部。翌晨，天色微明，彭德怀就到院子里，仔细谛听在重峦叠嶂中隐隐回响的敌机声。原来，大家以为敌机是从北平飞来。彭德怀根据飞机的航速、续航能力和轮番到达忻口的时间判断，忻口附近必有日军的临时机场，即下令侦察。12日，朱德、彭德怀电告蒋介石、阎锡山等：“代县已有敌机着陆场，因我袭击敌人后方交通，故连日敌机运输粮弹中。”同时，彭德怀命令刚开入晋北的一二九师之七六九团（团长陈锡联）进入代县，实地侦察。19日，七六九团的赵崇德第三营夜袭阳明堡机场，一举烧毁敌机20余架，取得平型关之捷以来又一次振奋人心的胜利。忻口上空一度日机息影，消息传至友军营连，“官兵闻讯，高兴欢呼：”中华民族万岁！“
日军受阻于忻口，乃采取大迂回战术，集中平汉路兵力强攻娘子关，沿正太路西进，太原市腹背受敌。 11月2日，忻口友军被迫撤离，转移太原。8日，太原失守。太原失守后，国民党各军争路西退南逃。阎锡山脱下戎装，换上棉袍马褂，坐在汾河西岸的一座天主堂内收容溃散部属。一度兴奋乐观的舆论，陡然冷下来。
11月12日，华东战场上上海失守，南京危急。国民政府准备着西迁重庆。华北的前途又将如何？全国都在焦急地等待着消息。
1937年11月15日，几个满怀抗日热忱的青年，来到晋东南前线沁县开村八路军总部驻地，会见彭德怀，希望得到他的回答。从黄昏到深夜，彭德怀详细回答青年提出的问题，从中国目前的形势，抗战的前途，山西的局面，到八路军的任务、决心。他告诉青年们：“我们决定在任何困难情况下，都要留在山西、河北和整个华北，一直到把日本帝国主义者赶出华北、赶出满洲的时候为止。我们愿意和华北人民共生死，和他们亲密合作，来与侵略者周旋。”“第八路军决定永远不过黄河”。
“虽然日本强盗占领了太原和其他几座空城。可是我们并没有后退，我们的军队还是整个占领了晋东北、晋西北……，加上察哈尔和河北西部。”“这些地方，合计有近千万人口。”“我们正在组织和武装华北的男女，我们要使得华北一万万人民的每一个人，都是日本帝国主义的敌人！”
在仔细聆听彭德怀这一庄严宣告的青年中，有一个名叫周立波的，用他的笔，将“第八路军决定永不过黄河”的决心传遍了全中国。
彭德怀的讲话使来访的青年深受鼓舞，周立波在结束他的访问记时，写道：“归来时，骑在牲口上，觉得很冷，但路上是满天星星。我们也真感觉到，光明是在我们的面前。”
11月26日，彭德怀从前方回到延安，参加中央政治局扩大会议。延安的记者报道说：“八路军副总司令彭德怀从前方回来了，这消息迅速的雷鸣似的传遍了延安城，使大家兴奋而愉快，忙着慰劳、欢迎。那位跟普通士兵形式上并无特异之处