。
八路军120师358旅716团选择雁门关以南的黑石头沟作为伏击战场。这里道路蜿蜒转大弯，西临悬崖，北靠陡坡，南有石拱桥，沟底遍布乱石，是居高临下发动伏击的绝佳之地 。
716团主力于10月18日凌晨进入伏击区 。10时许，鬼子满载弹药的汽车队进入伏击圈。八路军采取“堵头截尾”的方式，以猛烈火力将日军压制在沟底，发起冲锋后展开白刃战。激战至中午，毙伤日军300余人，击毁汽车20余辆 。
为配合忻口正面战场的防御，八路军129师决定主动出击。10月19日夜，129师769团3营作为突击队，在当地群众的带领下渡过滹沱河，潜入鬼子的阳明堡机场。突击队将手榴弹密集投向飞机，并用机枪扫射。鬼子从睡梦中惊醒，仓促应战。交火中，八路军战士与鬼子展开了白刃肉搏。营长赵崇德在指挥战斗时壮烈牺牲。经过约1小时的激战，突击队圆满完成任务，在增援日军赶到前迅速撤出战斗。
此战，769团3营歼敌百余人，炸毁日机24架，还击伤了部分日军装甲车。阳明堡大捷使日军在晋北战场一度丧失空中优势，极大减轻了忻口正面战场中国军队的防空压力，是步兵摧毁空军基地的奇迹。
八路军120师于20日夜再次潜入黑石头沟设伏。21日上午，日军200余辆汽车由南向北、数十辆由北向南相向驶入伏击区。八路军再次猛烈开火，面对日军的反扑和8架飞机的空中支援，716团击退日军数次反扑，击毁汽车10余辆，随后撤出战斗 。在18日至21日的两次伏击战中，八路军120师共毙伤500余鬼子，击毁汽车数十辆，成功截断了日军由大同经雁门关至忻口的补给线数日 。
雁门关伏击战、夜袭阳明堡机场与平型关大捷并称为八路军抗战初期的“三大首战告捷”，这三场胜利极大振奋了全国军民的抗战信心 。