正值傅作义指挥部队向平型关之敌反攻之际，敌第5师团主力转攻团城口、鸦鹞涧阵地。守军第17军前沿部队因连续激战3昼夜，伤亡2.6万余人，多次请求阎锡山、孙楚支援末果，一气之下竟退出要隘团城口阵地，致使东西跑池以北约2公里长的防线主要阵地被敌抢占，给平型关防线造成极大被动。鉴于杨爱源、孙楚协调指挥不力，阎锡山命傅作义前往大营全权指挥平型关作战。傅作义组织守军第71师、独立第8旅、第72师进行反攻，夺回鹞子涧高地，并将敌军压缩于东西跑池沟内，才稳住了平型关防线阵脚。

26日，阎锡山决定放弃砂河地区决战计划，集中兵力在平型关外歼灭敌军。日军第42联队由蔚县增援平型关。27日，日军步、炮、空协同向迷回村带阵地全面进攻。守军第71师214旅3个团向六郎城、鹞子涧日军发动反击，第434团与敌奋力拼杀，因突入太深而陷敌包围，团长程继贤与千余名官兵壮烈牺牲。29日，敌军又以两个联队的兵力向守军阵地发动进攻，敌我双力激战呈胶着状态，日军终末突破平型关防线，守军也无法全歼敌于平型关外。

为策应进攻平型关的第5师团，日军察哈尔兵团独立混成第15旅团于28日猛攻平型关西北要隘茹越口阵地，守军三个团前往支援也末能阻止日军攻势，茹越口阵地被敌占领。29日敌人由茹越口南下进攻繁峙县北侧的铁甲岭阵地，守军第203旅奋力抵抗，旅长梁鉴堂及1400余名官兵全部阵亡，铁甲岭阵地失守，该部日军又于30日攻陷平型关以西65公里的繁峙县城。

繁峙县城失陷威胁到平型关守军的侧后，30日晚，第二战区在东山底村召开了紧急会议，由于缺乏决战决胜的信心，阎锡山下令放弃平型关阵地，全线撤退至忻口线，至此平型关战役结束。

在平型关战役中，八路军115师将士浴血奋战，取得了具有重大军事和政治意义的辉煌胜利。正面防守的国民党军队，在战役中虽然暴露出其战略战术上存在的缺陷，以及晋绥军与中央军内部协调配合上的问题，但由于广大官兵的奋力抵抗给日军以沉重打击，迟滞了日军攻占太原的进程，赢得了集结力量部署忻口防线的时间。在战役中，守军先后有上万名官兵为国捐躯，其中旅长名，团长、代理团长四名，营连长数十名。

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