Tháng 9 năm 1937, sư đoàn 5 thuộc phương diện quân Hoa Bắc của Nhật Bản tiến vào Bình Hình quan, sau đó, dự định hợp quân với quân Nhật từ Đại Đồng xuống để tiến công Thái Nguyên. Lâm Bưu chỉ huy sư đoàn 115 Bát lộ quân lợi dụng địa hình hiểm yếu ở Bình Hình quan, tranh thủ khi quân địch còn sơ hở đã tiến hành đánh một trận tiêu diệt rất đẹp.
Đêm ngày 24 tháng 9, trời mưa như trút. Để ngăn sự phát giác của quân địch, ngay từ nửa đêm, sư đoàn 115 đã tới khu vực phục kích. Tới khi trời hửng sáng, thời tiết bỗng khô ráo, quang đãng khác thường.
Trời vừa hửng sáng, Lữ đoàn 21 thuộc sư đoàn 5 của quân Nhật, theo sau là hơn 100 ô tô và hơn 200 xe vận tải chở hàng quân nhu, tổng cộng có tới hơn 2.000 người, theo hình chữ “nhất” tiến vào Bình Hình quan. Sư đoàn trưởng Nhật vốn đã nổi tiếng từ ngày chiến tranh mở rộng ra toàn Trung Quốc từng đánh lui nhiều trận quân Quốc dân đảng nên vô cùng kiêu ngạo.
7 giờ sáng, toàn bộ quân địch thuộc sư đoàn 115 rơi vào trận địa phục kích. Do đường đi hiểm trở, sau một trận mưa lớn, bùn đất lầy lội nên người và xe của quân địch tiến rất chậm chạp. Đang trong khi quân địch còn lúng túng, bỗng nhiên toàn trận địa phát hỏa. Quân Nhật bị tổn thất khá lớn, trong khi đang hỗn loạn lại bị quân Trung Quốc tấn công. Xe ô tô của quân Nhật cái hư hỏng, cái bốc cháy, có cái đậu bên lề đường bất động, trở thành vật chướng ngại cho cuộc chiến đấu. Từ trên xe, quân Nhật vội nhảy xuống tìm cách phân tán khắp nơi. Có lẽ ngay trong mơ, quân Nhật cũng không thể nghĩ tới bị lâm vào tình cảnh như thế này.
Lực lượng phục kích chủ yếu là quân của đoàn 685 và đoàn 686 thuộc Lữ đoàn 343. Sau khi quân Nhật lọt vào trận địa phục kích, sức tiến công của quân Trung Quốc đã khiến quân Nhật rối loạn. Như bừng tỉnh, quân Nhật cố sức nhanh chóng giành lấy các điểm cao. Sư đoàn trưởng Dương Đắc Chí đã hạ lệnh: “Khống chế các điểm cao gần nhất, không để quân Nhật chiếm được!”. Quân Nhật bằng mọi cách leo lên những nơi này nhưng đều bị đánh lui.
Trong lúc đoàn 685 đang giành giật các điểm cao với quân Nhật, hai chiếc máy bay của Nhật xuất hiện, nhưng vì quân hai bên áp sát nhau, không thể sử dụng súng hoặc bom, cuối cùng phải bay đi.
Sau đó, các đơn vị của đoàn 685 tiến hành đánh giáp lá cà. Sau khi chỉ huy những đơn vị nhỏ phát lệnh xung phong, họ xông vào đội hình quân Nhật. Trong vòng 20 phút, bằng lựu đạn, họ phá hủy hơn 20 xe ô tô của địch, một chiến sĩ cũng có thể giết hơn chục tên lính Nhật bằng dao găm. Trên thân thể họ đầy thương tích và máu. Khi những đám quân Nhật xông tới, họ tay cầm lựu đạn, tháo chốt an toàn cùng với quân Nhật tan xác. Khi những người chỉ huy bị trọng thương, để chỉ huy các chiến sĩ, cấp dưới lên thay. Khi cấp dưới hy sinh, các chiến sĩ từng trải đảm nhận việc chỉ huy chiến đấu. Các đơn vị Bát lộ quân đã hy sinh rất nhiều, nhưng họ vẫn dũng cảm xung sát cùng kẻ địch. Một đấu với mười, không có lựu đạn, họ dùng dao găm; dao găm bị quằn, họ dùng báng súng; báng súng gãy, họ dùng nắm đấm hoặc đá nện vào đầu lính Nhật.
Đoàn trưởng đoàn 686 là Lý Thiên Hựu, Phó đoàn trưởng là Dương Dũng. Đây là đơn vị chủ lực, họ đã cùng sư đoàn 685 triển khai tác chiến. Khi cuộc chiến đấu bắt đầu, họ đã làm tắc nghẽn đường giao thông khiến người, xe của quân Nhật phải dừng tại chỗ. Sau đó, để tăng cường chỉ huy, bảo đảm cho cuộc chiến đấu thắng lợi, ngoài Lý Thiên Hựu, những người chỉ huy khác đều tới trực tiếp sát cánh cùng các chiến sĩ. Lý Thiên Hựu ra lệnh cho các đơn vị xông tới tòa miếu cổ. Dòng suối dưới chân núi khói bao phủ, âm thanh nghe điếc tai. Các chiến sĩ xông lên trên đường cùng quân địch đánh giáp lá cà. Chỉ thấy báng súng hươ lên, ánh thép lưỡi dao loang loáng. Các chiến sĩ mặt đối mặt với kẻ thù mà không một chút sợ hãi, cuối cùng cũng chiếm được tòa miếu cổ, một điểm cao quan trọng lúc ấy. Sau khi chiếm được tòa miếu cổ, sư đoàn 686 bắt đầu truy kích quân địch trên đường quốc lộ khiến quân Nhật không nơi ẩn náu. Tới khi ấy, quân Nhật mới ý thức được sai lầm của mình, tìm mọi cách giành lại cao điểm tòa miếu cổ. Bát lộ quân từ trên cao điểm hết lần này tới lần khác đánh lui mọi cuộc tiến công của quân Nhật. Cuộc chiến đấu diễn ra tới 1 giờ trưa, đoàn 687 sau khi tiêu diệt hết quân địch, chuyển sang hỗ trợ cho Lữ 343 đánh từ phía sau lưng địch. Bị đánh từ sau lưng, quân Nhật gặp nhiều khó khăn. Lâm Bưu ý thức thời cơ tấn công toàn diện đã tới lập tức ra lệnh tổng tiến công. Bộ phận Bát lộ quân đã làm chủ quốc lộ chủ động tiến công, lập tức nhanh chóng tiêu diệt quân Nhật ở toàn bộ khu vực này.
Trong trận chiến đấu này Lữ đoàn 115 Bát lộ quân đã tiêu diệt Lữ đoàn 21 thuộc Sư đoàn 5 tinh nhuệ của quân Nhật tới hơn 1.000 tên, thu được hơn một nghìn khẩu súng, hơn 20 súng máy, phá hủy hơn 100 xe ô tô, hơn 200 xe ngựa, giành được thắng lợi đầu tiên từ khi kháng chiến nổ ra. Đồng thời, Bát lộ quân cũng đập tan luận điệu “quân đội Nhật hoàng không thể đánh bại”, khiến ý đồ hoàn thành cuộc xâm lược Trung Quốc trong vòng mấy tháng bị ngăn chặn. Nó có ý nghĩa vô cùng quan trọng cổ vũ tinh thần kháng Nhật của nhân dân Trung Quốc, khích lệ lòng yêu nước của nhân dân Trung Quốc, tăng cường niềm tin vào Bát lộ quân trong sự nghiệp chống quân Nhật Bản xâm lược.
