1937年7月7日，北平宛平县城外的卢沟桥突然遭到日寇袭击，日本帝国主义悍然发动了全面侵华战争。中国共产党与国民党再次合作，组成抗日民族统一战线，携手并肩共赴国难。随即，驻扎在陕甘宁边区的红军改编为国民革命军第八路军，朱德任总司令，彭德怀任副总司令，叶剑英任参谋长，左权任副参谋长，任弼时任政治部主任，邓小平任政治部副主任。下辖第115师（师长林彪、副师长聂荣臻、参谋长周昆、政训处主任罗荣桓、副主任肖华），第120师（师长贺龙、副师长肖克、参谋长周士第、政训处主任关向应、副主任甘泗淇）和第129师（师长刘伯承、副师长徐向前、参谋长倪志亮、政训处主任张浩，副主任宋任穷），共辖6个旅4.2万人。于同年8至10月，八路军三个师的主力分批从陕北根据地出发抵达韩城，乘船东渡黄河到达山西侯马，分批乘坐火车，沿南同蒲线北上抵达太原，随后奔赴前线英勇抗战，这是我军历史上第一次大规模的铁路大运兵。
　　据史料记载，1937年9月4日晚10时，第115师343旅686团和独立团近五千人，在师政训处主任罗荣桓的率领下，先后来到侯马站登上破旧的敞篷火车，北行至灵石县遭遇山洪暴发，行车被迫中断只好就地宿营。第二天徒步行军，于8日在介休站再次乘车北上，抵达太原车站后，受到各界爱国人士的热烈欢迎，热情地赠送香烟、毛巾等慰问品。
　　9月中旬，第120师主力8000人，在师长贺龙，政训处主任关向应的率领下，第二批抵达侯马乘坐火车，陆续于9月19日前到达太原。
　　10月9日前后，第129师先遣队3000余人，在师长刘伯承率领下抵达侯马，欲分批乘车北上。当首批先遣队乘车越过洪洞后，因机车陈旧老化，水箱漏水无法开动。刘师长十分着急，亲自和机车工人详细商量后，果断决定让战士和铁路工人一起用手将机车沿铁轨推到离汾河边最近的地方，用肩挑水桶、手端脸盆的笨办法，一桶桶、一盆盆给机车加满水后，勉强开到霍县站，更换了一台机车，又返回侯马站，拉上129师的指战员，于10月11日到达太原。
　　我军将士肩负挽救民族危亡重任，出师华北抗战前线。根据上级部署，第115师挺进恒山南端，第120师转至晋西北管涔山地区投入战斗，第129师进入吕梁山脉活动。随后，神州大地抗日捷报频频，极大地鼓舞了全国人民和军队奋勇抗战的斗志。
　　八路军第115师和120师开到晋北前线后，分别加入到平型关和雁门关地区的战斗序列。由于雁门关地势险要，日寇难以从正面攻克，于是集中主力攻取平型关，从东向西从侧背再夺取雁门关，以图打开通向太原的门户。
　　1937年9月25日，115师一部正好抵达平型关，侦悉敌寇增援部队必经之路后，遂决定利用有利地形，部署兵力以伏击战一举歼灭日军坂垣师团第21旅团一部千余人，击毁日军汽车一百多辆，缴获了大批辎重武器，首战大捷。这是自卢沟桥事变后，中国军队取得的一次震惊中外的胜仗。
　　平型关伏击战后，八路军三个师配合囯民党军队进行了历时20余天的忻口战役。第120师雁门关设伏和第129师夜袭阳明堡敌机场均获大捷。
　　这是华北战场上规模最大、战斗最激烈的一次战役，也是囯共两军配合得较好的一次战役。我八路军三大主力挺进抗日前线，首开对日决战，克敌扬威，大涨中国人的志气，极大地鼓舞了全囯军民，推动了全国抗战高潮，打击了日寇的嚣张气焰。“日军不可战胜”的神话彻底破灭，打出八路军的威风，提高了我党在全国民族战争中的政治影响，从而进一步增强了全国军民抗战必胜的信心。