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9月26日下午，日军派骑兵四五百人由灵丘直奔平型关，想救援已被歼灭的同伙，结果被早有准备的687团击溃，无奈撤回灵丘城。
此后几天，687团隐蔽在蔡峪、小寨、含水及浑源县王庄堡一带山区，不断阻击从灵丘西进或从浑源南进的日军，致使平型关、团城口的日军陷入困境。
10月1日、2日，第二战区十万大军从内长城防线撤守，日军占领平型关，并继续向西进犯。
日军在小寨、平型关、大营都驻守了部队，负责守护灵丘到繁峙的交通运输线，支持前方进攻。
344旅侦察了解到这一情况后，连续出击，使敌人遭受重创，日夜不得安宁。
10月13日，687团1营和特务营袭击并消灭了小寨村的敌人，破坏了小寨至老爷庙间的公路。14日，又与援敌激战，敌大部向北逃跑，小部骑兵向繁峙方向绕去。
10月15日，敌急于支持前线，130辆汽车的运输队在一个大队、6门大炮的掩护下，气势汹汹地开来，徐旅长指挥687团第1、第3营，占领小寨村南高地阻击敌人，激战一天，敌人狼狈逃回灵丘城。
同日，687团2营奉命袭击团城口，但敌人已撤走，他们又转向南侧的平型关，袭击并占领了平型关。
7连1排是营里的尖兵，在接近平型关时，1排排长发现公路上有一队日军大约400余人，正向关口行进。
他立即命令1、3班抢占两侧山地，他自己则带领第2班阻击牵制敌人，等候营主力的到来。
日军越走越近，当进入射程以内时，居于公路拐弯处高地上的1班首先开火，给了敌人一个措手不及，紧接着3班也向敌猛烈射击。
敌急忙变成战斗队形，猛烈反击，一伙鬼子已冲到了阵地前，李排长大喊一声：
“甩手榴弹！”
十几颗手榴弹砸向敌群，敌军丢下一片死尸退了下去。
日军发现我军人数不多，又兵分三路组织第二次进攻。李排长不知营主力何时赶到，就命令各班靠近了再打。当敌人扑到约30米时，步枪、机枪、手榴弹一齐开火，敌人又被打了下去。但这次战斗代价也很大。
李排长腹部受伤，1班长、3班长和十几名战士壮烈牺牲。
李排长见情况危急，忍着痛把2班长和几位共产党员叫过来说：
“同志们，我们一定要坚持到营主力到来，坚持一会儿就是胜利，为了我们的民族，流血牺牲也是光荣的。我如果光荣了，2班长代理排长，1班、3班的班长职位由党员接替，快回自己的位置，准备战斗！”
这时营主力赶上来了，但被敌截住，不得前进。敌人又攻了上来，李排长夺过机枪手的机枪，猛地站起来向敌扫射，他中了一弹，倒下去就再也没有起来。
由于敌我力量悬殊，最后1排只剩下5个人了。接替指挥的2班班长命令剩下的战士们快撤，自己则紧握手榴弹向敌人冲去……。
这时，第3营从平型关口东侧冲了上来，占领了高地。与第2营一起向敌人反击。经过一场激烈的搏斗，消灭敌人近200名。进攻的日军连同守在关口的一个小队全部仓惶撤走。
我军占领了平型关。
小寨战斗结束后，团主力又连夜向大营追击，包围敌据点，并占领了沙河镇和代堡。
687团经过连续作战，于10月16日收复平型关，取得了二次平型关战斗的胜利。
毛委员于同年10月接见英国记者贝特兰时说：
“我军二次夺回平型关”，
就是指的这次战斗。毛委员以此为例，阐述：
“日军在华北今后将遇到最坚强的抵抗。日军要在山西横行，必将遇到它前所未有的困难。”
第二天，687团从这座古老的雄关出关，向灵丘追击敌人。
出关前，团宣传队五个人在屈振东队长带领下，沿着破损的登楼台阶，登上古老雄伟的平型关城楼。真是雄关险要，确有一夫当关，万夫莫开之威。向北远眺，一条古道在群山中向北延伸，二十天前八路军115师痛歼日军的十里乔沟尽收眼底。
687团从平型关古老而又高大的关口城门，沿着石板路古道，缓缓走进十里乔沟向北而行。
20天前在这里进行的一场恶战痕迹历历在目。似乎激烈的枪炮声和厮杀声在耳边回响，浓浓的火药味还在刺人鼻腔。
千余日军尸体，已被日军掩埋，堆起一座座大大小小坟墓，烘托出侵略者可悲下场。
数百匹被击毙的日本大洋马，横七竖八地躺在道路两旁，被野狗和老鹰掠食。发出臭味。
日军为了保障道路畅通，把被我军击毁的汽车东倒西斜抛弃在公路两边，把上百辆马车，这里十辆，那里八辆，或堆积在路边，或推下山沟，有的被烧得残缺不全。
好多处前几天被我军破坏的公路地段，日军仓皇撤退时也来不及修复。被日军火烧的老爷庙，孤零零地伫立在公路西侧的高地上。关老爷的神像依然端坐在那里，他似乎想向人们证明这里曾发生过的一切。
再向北走，出了老爷庙北沟口，这里正是二十天前，张庆林跟着687团9连歼灭敌人后尾分队的地方，也是张庆林向日本鬼子开第一枪的地方。
这里有一个大土堆，是集体埋葬日本鬼子的坟墓。河滩的石头，依然血迹斑斑，侵略军的破衣烂裳到处散落在地上。再往前走，就是小寨村。
这个小山村大部分已被日本鬼子烧毁。没有烧掉的也已经门倒窗破，锅碗瓢盆，坛坛罐罐，全被日本人砸烂了。
这里除了野狗和老鼠之外，已无别的动物。鸡牛羊猪也被日本人抢光杀光。
老百姓除了遭受日本鬼子杀害的之外，都已远逃他乡。当日军重新占领平型关时，这里的老百姓可就遭难了。仅小寨村就被烧掉二百多间房子，杀死四十多口人。而且都是男人。当时全村的总人口不过四百人而已。