公路上短暂的混乱之后，日军纠集起战斗序列开始向老爷庙高地冲锋。此时六八六团三营奉命抢占老爷庙高地，当官兵们呐喊着冲上去时，瞬间就与日军面对面撞在了一起。团长李天佑在电话里得到报告说，三营营长负伤，九连的干部全打光了。李天佑严令三营不要怕伤亡，坚决地冲上去！命令下达后，三营再也没有关于伤亡的报告。老爷庙高地前的四十多米的斜坡上，双方肉搏战持续了近两个小时，到处是双方官兵的尸体，最终日军支持不住退了下去。六八六团占领老爷庙高地后不久，日军重新集结向老爷庙高地展开集团冲锋，六八六团死顶不退，一直坚持到六八七团攻了上来。

六八七团负责的是攻击日军行列的尾部，然后向前压缩。当日军在老爷庙打开突围缺口的企图绝望后，又转向团城口方向冲锋，第一一五师投入了预备队六八八团，得以形成将日军包围的态势。之后，残酷的近战持续到傍晚，直到“马路上、山沟里，半山上所有望得见的地方，再没有活着的敌人”。

就八路军官兵而言，无论多么身经百战，还是被眼前残酷的战斗情景震惊了。在他们的战斗经历中，之前没有遇到过如此顽凶的敌人。完全可以把躲在汽车下已被包围的日军士兵击毙，但八路军官兵没有开枪，而是像往日里一样俯下身子喊：出来吧！但是，出来的不是人而是子弹。直到这时候，八路军官兵才明白这是日本人。遇到负了重伤的日军士兵，八路军官兵本能地要为其裹伤，却被伸过来的刺刀猛地戳进了胸口——即使战场上的战斗已经结束，双方的伤员依旧扭打在一起，直到其中的一方死亡为止。

日军士兵听不懂“缴枪不杀”的喊话。

在日军士兵所受到的军事教育中没有“缴枪”一词。

日军第六兵站汽车队《参加平型关作战的战斗详报概要》显现出他们对所遭遇的对手极为困惑，因为这个对手不但拥有不可比的勇敢，而且其战斗员“均为二十岁以下的少年兵”：……车队以矢岛中队在前、中西中队在后的顺序前进，队长的位置在接近矢岛中队前列的地方。矢岛中队的全部、中西中队的一半进入凹道时（九时三十分），忽听前方的喊声，我方同时受到来自两侧悬崖约一个旅敌人的攻击，战斗即刻开始。敌人向我射击、扔手榴弹。由于先头的自卫队受敌压迫，中队长即命第一小队长一并指挥自卫队向敌发起进攻，同时向队长报告了进攻决心。随即遭到右侧高地上的重机枪、迫击炮的射击……此时，汽车队本部陷入敌重重包围之中，队长派出传令兵向旅团告急……后续的中西中队已在远方左侧高地上开始散开射击。另外，前面的自卫队不断出现战死者，敌向第二小队背后逼来，中队完全陷入敌之重围。上午十时三十分，旅团派来援兵一个步兵小队，乃命其在中西、矢岛两中队之间投入战斗……十一时三十分，传令兵带来队长战死的消息，大家愤慨万分（此系误传，从第一小队长处获悉，队长被手榴弹炸伤）。但其后接到队长遭左侧高地重机枪扫射而战死的可靠消息后，中队长命令边烧掉汽车边后撤，时间为十二时四十分……当面之敌几乎均为二十岁以下少年兵，作战勇敢，远非以前所遇之敌可比，或为以学生等组成的军队。再者，其战术类似苏军之战术，显系在其指导之下。报告中所说的“队长”名叫新庄淳。日本《东京朝日新闻》一九三七年九月二十七日第三版报道：“陆军辎重兵中佐新庄淳于二十六（二十五）日上午十一时在山西省光荣战死。该中佐为山口县人，陆军士官学校第二十五期毕业生，曾任陆军整备局委员。”

二十五日深夜十二时半，日军第五师团获悉其补给部队被伏击围歼的消息。位于蔚县指挥作战的板垣征四郎立即命令第二十四联队第三大队从灵丘出发前去救援。二十六日，第三大队到达那条遍布着日军尸体的公路时，八路军第一一五师已经撤出。

日军第五师团第二十一旅团第二十一联队的记述是：……行进中的汽车联队似遭突袭全被歼灭，一百余辆汽车惨遭烧毁，每隔约二十米，倒着一辆汽车残骸。公路上有新庄淳中佐等无数阵亡者及被烧焦躺在驾驶室里的尸体，一片惨状，目不忍睹……用了长达三个小时，才把一辆辆烧焦的汽车拖到公路的一边，处理好阵亡者的尸体……遇险的中尾贞义所介绍的经过综合如下：粟饭原秀部队（第二十一联队）的大行李队和山口、中岛两个大队的大小行李队，编成了约有七十辆辎重车辆、十五名辎重兵、七十名特务兵的车队，车上满载着部队军官的行李、士兵的冬服和粮食、弹药等。九月二十五日，行李队认为若走三浦（三浦敏事）支队经过后的路，大概是安全的，于是从灵丘出发上路……正当行李队全部进入长约三百米的沟道时，队伍前后两方，突然从头顶上方投下了手榴弹。这完全是突如其来的袭击，因为是三浦支队走过的路线，完全放心前进，以致在吃惊的同时队伍完全混乱。最初前端的车马受到打击，而使夹在中间的车辆无法动转。加以特务兵既无枪支又无手榴弹。恰有师团的桥本参谋因去三浦支队进行联络搭车同行，他命令高桥小队分成两部，攀登两侧悬崖，桥本参谋、高桥少尉各指挥一侧，努力实行防御战。但敌人依仗人多势众，投掷手榴弹，接连不断地向我发起进攻，无奈寡不敌众，无能为力，小队完全覆灭，最后一点枪声也听不到了。峡谷前后均被敌人包围，人马几乎全都死亡。下午三时，已无一人对敌反抗，敌人在凯歌声中，夺取峡谷中的军官行李、服装、粮食等。桥本参谋战死的消息由《东京朝日新闻》一九三七年九月二十九日晚刊刊出：“步兵中佐桥本顺正于二十五日在山西省灵丘县小寨村附近的战斗中光荣战死。该中佐为京都人，毕业于陆军士官学校第二十七期步兵科，成绩优秀，后在陆军大学毕业，前途颇受瞩望，曾任中国驻屯军参谋，对其战死不胜痛惜。”

就在这一天，八路军总指挥朱德和副总指挥彭德怀代表八路军全体官兵发出了一封《八路军告日本士兵书》，中间也谈到了故乡、父母和妻儿，谈到了死亡：日本的士兵们：

你们大概早就听说过红军这个名字吧。我们现在的第八路军就是原来的“红军”，也就是日本报纸上常说的“共产军”……日本士兵们！想想吧，你们在中国战场上被牺牲，被打死，有什么好处呢？一点好处都没有。

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