平型關戰斗結束後，八路軍一一五師參戰部隊立即向平型關正面的東跑池日軍逼近，並在當日黃昏搶占了東跑池周圍的高地，將日軍包圍在東跑池一帶的盆地。但是國民黨軍隊卻沒有按照計劃出擊。國民黨軍隊的怠戰，使該地的日軍未能被殲，平型關戰斗的戰果未能得到擴大。
八路軍平型關伏擊成功的同時，傅作義、楊愛源等部，加緊收縮圍攻團城口敵軍二十一旅團主力。日軍第五師團長坂垣急令四十二聯隊、二十一聯隊向平型關增援。
27日至29日，雙方在平型關展開激烈的爭奪戰，相持不下，死傷累累。敵關東軍十五混成旅、第二混成旅、十川支隊，馳援平型關二十一旅團。由于日軍增援部隊陸續到達，我軍茹越口、鐵角嶺陣地失守，平型關正面陣地腹背受敵。9月30日夜，前線各部隊奉命撤離。平型關戰役結束。
平型關之戰曆時一個月（從9月3日制訂作戰計劃到10月2日全線撤退），戰場綿延數百里，我方投入兵力10多萬人，達11個軍，曆經大小戰斗數十次。日本軍方卻顯然縮小了死傷人數，只在資料上記載，日軍死傷8562人。
平型關戰役是忻口會戰的前期階段，平型關戰役也是;七七;之後，中國軍隊對日本侵略者最頑強的抗擊，幾乎將有;鋼軍;之稱的日軍二十一旅團全殲。雖然因敵增援解圍，平型關戰役最後沒有取得勝利，但是卻給氣焰極為囂張的日軍以巨大的打擊，讓他們看到速戰滅亡中國是不可能的。這也是第二次國共合作後，八路軍與國民黨軍隊的第一次配合作戰。
平型關戰役中八路軍一一五師雖然沒有進入正面戰場，但是首戰就取得了勝利，切斷了敵人的交通線，有力支持了正面戰場。
平型關大捷，從軍事上說應該稱為平型關戰斗。戰場實際上就是在由靈丘通往平型關方向的小寨、老爺廟和關溝一帶和一條叫喬溝的深溝里，距離平型關口大概還有0?5公里。為了表述方便稱平型關大捷。
從戰役角度看，平型關戰斗是配合平型關主戰場的側後伏擊戰，是全國抗戰開始以來中國軍隊的第一個大勝利。殲滅的是日軍二十一旅團的一個輜重部隊1000余人，並不是整個的二十一旅團，更不是坂垣師團。由于八路軍對日本軍隊的戰法、戰斗能力並沒有感性認識，此戰也損失上千經過長征的老戰士及寶貴的彈藥。
平型關戰斗的意義，主要是在政治上的。八路軍首戰告捷，打破了日軍不可戰勝的神話；為友軍樹立了榜樣，使全國人民看到了抗日戰爭的希望，對八路軍抗戰的重要作用有了認識。這次戰斗，也使八路軍認識到了日本軍隊的特點，取得了對日作戰的經驗與教訓。從此，八路軍堅定了游擊戰為主要戰法的思想。
平型關戰役是八路軍與多派系國民黨軍隊的第一次協同作戰，這次合作的成功，為以後的國共合作共同抗日打下了良好的基礎。