为阻止日军突破平型关防线，八路军总部也电令115师根在平型关一带设伏，打击日军。1937年9月23日上午，第115师在灵丘以南的上寨村，召开了全师连以上干部动员会议，进行战斗部署，主力在关沟至老爷庙一带埋伏，另外派师直独立团和骑兵营进抵灵丘至涞源、广灵之间腰站村，阻击敌人增援，不许日军一兵一卒进入平型关主战场。
腰站位于涞源以西大约二十公里处，村东1公里处有座山，山顶有个马鞍形的隘口，名为驿马岭，涞灵公路即从该隘口穿过，它是河北涞源通往山西的一个重要隘口。接到命令后，独立团和骑兵营立即出发，战士们身着单衣、草鞋，冒着秋雨向腰站地区急进。
尽管人不解衣，马不卸鞍，紧赶慢赶，独立团还是慢了一步。24日下午赶到山下白羊铺时，日军第9旅团第11联队的主力已经占领了驿马岭山顶的隘口。25日凌晨，涞源城又开来了日军的一个联队。独立团面对的，是兵力超过自身数倍的敌人。
先机已失，独立团团长立即根据敌情调整部署，命令第1营担任正面警戒，阻止腰站地区日军向灵丘增援；第2营插入三山镇一带，切断灵丘与广灵的公路；第3营为预备队。接到命令后，1营也立即兵分三路：1连负责正面阻击，2连从右翼袭取隘口，3连迂回至南面更高些的山峰，用火力压制隘口上的日军。
25日凌晨，驻涞源的日军第5师团第9旅团其中的1个联队向灵丘方向移动，其先头部队已占领驿马岭隘口，一部向腰站方向搜索前进。独立团1营营长曾保堂看到日军接近腰站阵地，下达了开火命令，战斗正式打响。刹那间机枪、步枪、手榴弹响成一片，战斗很快进入白热化状态。关键时刻，3营也出击了，除7连在正面协助1营阻击，夺取隘口的同时，派9连迂回攻占隘口以南最高峰，用火力压制隘口上的敌人。为了救援即将灭亡的平型关之敌，日军也是拼了老命，不顾死活奋力冲击。八路军都是百战精兵，毫不退让，很快就杀在一起。
到下午4时，平型关之敌宣告覆亡，增援的日军得知消息赶紧向涞源方向溃逃，杨成武立即指挥部队乘胜追击，又歼灭日军一部，并收复涞源城。
此战歼灭日军精锐300余人，迟滞了日军的增援行动，保证了师主力首战平型关的胜利。但是八路军也付出了惨重的代价，尤其是主力1营，教导员张文松不幸中弹牺牲，7连连长张德仁在捅杀数名鬼子后身负重伤，以最后之力抱住一名鬼子滚下山崖壮烈殉国，1连和3连减员过半，有的班排全部阵亡。独立团总计200余人伤亡。
第一次和日军交手，独立团经过长征和无数战火锤炼的老兵就伤亡这么多，这令他们无比痛惜。战后，聂荣臻痛心地对杨成武说：“他们多是经过长征的呀，不要把老本都打光呀！”
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