第三路日军则是沿宣蔚公路南犯，所过之处守军纷纷溃逃，日军逐占蔚县、广灵、灵邱、阳原、涞源、浑源等县城，切断了平汉、平绥二路之联系，威胁了恒山诸要隘。
大同以南的守军畏敌如虎，相继撤至雁门关东西一线。第5师团一部乘国民军仓促撤退之机，集中万余兵力，沿宣蔚公路南犯，企图一举攻下平型关，向山西腹地进犯。
此路日军是第5师团第21旅团，在旅团主力攻击平型关关口之时，其辎重联队一部及两个汽车中队，约一百辆卡车和两百架骡马大车，大约近千人正向乔沟方向驶来。
只是他们不知，我八路军115师已经在平型关东面蔡家峪乔沟一带设下了一个埋伏圈。
此时115师有兵力约12000余人，除了负责在蔡家峪和腰站阻击敌人增援部队的两个团和由于洪水阻隔没有及时到达战场的一个团外，负责伏击鬼子的有一个主力旅三个团的兵力。
由于乔沟的地形东高西低，而且西侧距离公路太近，不易埋伏大部队，所以在历史上西侧只是埋伏了少量部队，而三个团的大部分都埋伏在不容易被敌人察觉的东侧。
于是，就是由于西侧埋伏的兵力过少，而且西侧唯一的一个制高点老爷庙不知是什么原因没有部署足够的火力，导致鬼子在战斗开始不久后，就集中兵力猛攻老爷庙，导致老爷庙失手。
虽然后来八路军组织兵力付出了惨烈的代价将老爷庙夺了回来，但还是让小鬼子逃了不少人出去，使得此次堪称经典的伏击战有了一个小小的瑕疵。
只是，发生在现在的平型关伏击战，115师却是及时发现了老爷庙的重要性，在这个不大的高地上预先埋伏了一个加强连的兵力，还专门部署了3挺重机枪、5挺轻机枪、两门迫击炮和足够的弹药。
所以，当战斗打响之后，日军组织了近400余人的兵力猛攻老爷庙，却是遭到了八路军密集火力的沉重打击，始终没有攻克老爷庙。
战斗结束打扫战场时，八路军发现，单是在老爷庙前方30-300米这段山坡上，鬼子倒下的尸体就有360多具，可见当时战斗有多激烈。
而且在八路军已经部署了大量自动火力的情况下，鬼子攻击部队的前锋依然冲到