9月中旬，一一五师进到平型关东南上寨镇一带集结待命。 9月25日，陈光率三四三旅参加了平型关战斗，并担任主攻任务。头天夜晚，陈光接到师部命令，立即进入平型关东北之白崖台一线阵地埋伏。当夜下起了倾盆大雨，指战员不顾天黑路滑，浑身湿透，冒着深秋的寒冷，沿着崎岖的山沟向前急进，经大半夜行军，天亮前进入伏击阵地。清晨7时，骄横的日本侵略军全部进入我军伏击圈。
师指挥部下达了攻击敌军的命令，陈光指挥所属两个主力团从山头的埋伏阵地迅猛向山下冲去，经过激烈的白刃肉搏，到中午战斗结束，歼敌板垣师团二十一旅团1000余人，毁汽车100余辆，马车200余辆，缴获步枪 1000余支，机枪 20余挺，战马50余匹。平型关战斗，是八路军出师抗日后首次集中较大兵力对日军进行的一次成功的伏击战，也是全国抗战以来的第一个大胜仗。八路军首战告捷，表现出中国共产党领导的人民军队，有战胜任何敌人的勇气和力量，打破了 “日本皇军”不可战胜的神话，增强了中国人民抗战胜利的信心，提高了中国共产党和八路军的声望。
1938年3月，林彪被阎锡山军队开枪误伤，回延安治疗。八路军总部决定，由陈光代理一一五师师长。陈光与罗荣桓指挥所部，迅速进至蒲县至大宁公路一线，将部队以营为单位分散，预伏在道路曲折、地形复杂的午城、井沟一带，待机打击猖狂西犯的日本侵略军。战前，陈光亲自看地形，逐个阵地进行部署和检查。从 3月14日至 19日，预伏在各处的部队，此起彼伏地向在蒲县与大宁之间补给线上活动的敌人连续袭击，一连五昼夜，共歼日军1000余人，毁敌汽车70余辆，缴获甚多。此战充分发挥了我军善于打游击战的优势，取得了用兵少、歼敌多的战果，是一次模范战例。战斗的胜利，打破了敌人西犯黄河的企图，对巩固陕甘宁边区和开辟晋西抗日根据地都有着重要意义。
