在平型关遭受重创后，日军为改变其在晋西北地区的被动态势，令第20师团和第109师团沿正太铁路西犯，企图与沿同蒲铁路南下的日军会攻太原。为支援友军保卫太原，1937年10月，八路军在山西广阳地区预先设伏，主动出击，取得歼灭日军1200余人并成功掩护友军撤离娘子关的辉煌战果。
创造第二个“平型关大捷”
1937年10月，八路军总部令第115师南下，协同在正太铁路以南作战的第129师侧击西犯之日军。接到命令后，第115师第343旅快速进至昔阳以西的沾尚镇。广阳隶属沾尚镇，是一个不足200户人家的村庄。村子群山环抱，山高林密，地形险要。沾尚至榆次的公路从村边经过，由于年久失修，加上山洪暴发，道路毁坏严重，不利于敌机械化部队机动作战。公路两侧的山坡灌木丛生，便于我军隐蔽设伏。到达沾尚镇后，第343旅连夜召开战前会议，通过对敌情综合研判后认为，敌必将沿广阳公路西进，遂决定由第343旅第685团、第686团在此伏击敌人，决心用有限的兵力在广阳创造第二个“平型关大捷”。
陈光率第343旅于广阳周遭展开周密的作战部署：参谋长陈士榘和副旅长李天佑率第686团1营、3营为主要突击部队进入广阳以南瑶村、前小寨以北高地，负责歼灭敌人；他本人与第685团团长杨得志带领第685团3营由狼窝沟北山出击，协同第686团实施堵截任务，将敌人围困至广阳以东的狭长山沟；命第686团2营于杏庄、马道岭与北沟村两侧抗击，掩护主力部队进入伏击区域后，归建为预备队；其余部队占领有利阵地，打击回援的日军。
11月1日，第686团2营在杏庄、马道岭与北沟村构筑工事，侦察连进至马道岭以东，监视日军行踪。11月2日13时日军第20师团第79联队主力约六七百人逼近马道岭，2营5连猛然开火，敌仓皇抵抗。至17时，日军组织多次反扑行动，皆被2营火力压制，后2营乘夜主动转移，于次日拂晓归建。2营的节节阻击卓有成效，毙敌80余人，成功为主力部队争取了伏击部署时间。3日，日军仍间续遭到袭击，不得不放慢行军速度，日间行军仅有7公里，是夜宿营在广阳镇。连续两日的小股袭扰，使日军疲于应对，为大部队占据有利地形设伏打下基础，同时麻痹了日军的判断，误以为所遇不过是小支游击队伍，不足为患。
引而不发，避强击弱
11月4日7时，日军第20师团先头主力部队4000多人向松塔方向前进，骑兵、步兵、炮兵等接续前行，间或有飞机盘旋上空。待13时许，日军主力已进至伏击区，然而八路军主力仍在加强隐蔽，继续引而不发。“我是杨得志。敌人先头的骑兵过去了，现在正好打步兵。”师部回复：“放鬼子过去！”“我是陈士榘，我现在在686团阵地。敌人又过去了一支骑兵，怎么还不打呀？”师部回复：“告诉李天佑注意隐蔽。”面对各级指挥员的询问，第115师师部都是同一个答复：注意隐蔽。关于这一场伏击战，师部早已做好考量：与精锐部队交手，以眼下有限的兵力难以全胜，但若是引诱日军的辎重部队入局，避强击弱，则可给敌方以更大打击。
15时许，接到观察哨敌殿后部队第79联队后卫已离开沾尚的信号，陈光一声令下，八路军的各路伏兵从山间林中突然杀出，将日军队形分割成两段。伏击部队的机枪、手榴弹与迫击炮弹顿时在山谷响成一片，第686团1营迅速进至松塔镇包围两个步兵连，白刃相搏，给予敌军痛击。其他部队随即以班排为单位，逐段逐片围歼日军。至4日夜，第343旅歼敌千余人，缴获骡马700余匹和大量军用物资，第343旅参谋长陈士榘还活捉了八路军抗战以来第一个日军俘虏。第343旅于5日继续追击，欲与第129师第386旅合歼残敌。由于日军遭袭的是第20师团的指挥机关和直属队，其师团长川岸文三郎命急行前锋第40旅团紧急回援。第40旅团属于该师团的精锐部队，是块难啃的“硬骨头”，第343旅当即令部队于5日晚主动撤出战斗，转入山区。
出其不意再伏击
待第129师副师长徐向前率第386旅及第385旅第769团急行军赶来时，第115师已撤离，原计划看似已搁浅。正值第386旅旅长陈赓恼火敌军即将逃脱之际，徐向前认为：“第115师撤离后，回援的日军再次重返广阳，在多次遭受打击后，日后的行动必定十分小心谨惧，广阳日军极有可能会出动，配合沾尚的日军西进。表面看来，想要下手困难重重，然而只要多方筹谋，歼敌的机会也不是没有，试想，被接应的日军定会生出一种安全的错觉，这正好给了我们可乘之机。”徐向前与陈赓商议，认为可以把由沾尚西进的日军拦截住，再打一次伏击战。
11月7日，陈赓率386旅在广阳以东户封村设下埋伏，对广阳接应之敌进行阻击，封住由沾尚西进的敌人；陈锡联率领第769团担任尾击敌人的任务，1个营在沾尚后山埋伏，牵制平定方向之敌，剩下的2个营在大寒口埋伏，抓准时机猛击。当日17时许，由沾尚镇西进的日军先头部队进至户封村、中山村和大寒口的伏击圈时，预伏部队猛然发起攻击，以第771团、第772团、第769团3个团的兵力对敌实施分割围歼。经1小时激战，歼敌250余人，毙伤骡马200多匹，缴获轻机枪1挺、步枪百支，弹药、辎重若干，再次重创了川岸师团。
广阳地区的两次伏击战，八路军第115师与第129师共歼日军千余人，迫使日军改道迂回一周之久，成功迟滞了日军进攻太原的行动，掩护了娘子关地区的国民党友军安全撤离，暂时稳定了晋北战局。此战后，第二战区前线总指挥卫立煌亲自拜会八路军总司令朱德，诚恳表示，“我知道八路军确实是抗日的，是复兴民族的最精锐的部队，尤其是抗日的方法和经验都非常丰富”。（袁越）