1937年9月6日，朱德率八路军总部从云阳镇出发，开赴山西抗日前线。9月22日，八路军总部移驻山西省五台县南茹村，次日朱德与彭德怀、任弼时等抵达八路军总部。朱德率八路军总部进驻五台县的一个多月里，指挥八路军伏击日军，取得了平型关大捷等胜利，有力地配合了国民党正面战场中的忻口战役和太原保卫战，极大地鼓舞了全国民众的抗战信心。

    八路军开到前线后，当地群众迫切希望它能早日参战并取得胜利。但是，有些人因为看到八路军武器装备比较差，对八路军能否战胜日本侵略者还心存疑问，朱德却信心十足。他综合政治、经济、人员、武器、交通（包括地形）五个要素，对战争作出全面的、客观的分析，制定相应的战略战术。他认定，日本侵略军在中国不可能得到老百姓的支持。他们对地形不熟悉，对山地作战的训练也不够。虽然武器装备比较好，但武器不是万能，要在一定条件下才能发挥其力量；同时，它也有可以被制服的方法。再加上日本是小国，兵员和经济力量都有限。因此，他坚定地认为“日本并不是那么可怕的魔鬼”，我们能够打败日军。

    正是基于这种分析，朱德、周恩来、彭德怀等决心选择时机，在山西先打一个胜仗，以打击日本侵赂军的骄狂气焰，鼓舞全国人民和友军的士气，进一步扩大共产党和八路军的政治影响。

    此时，日军板垣师团一部进攻平型关，而八路军第一一五师正向平型关附近开进。为配合阎锡山部作战，九月二十三日，朱德、彭德怀电令一一五师立即向平型关、灵丘间出动，机动侧击来犯之敌。于是，震惊中外的平型关战斗就打响了。

    九月二十四日深夜，一一五师主力根据总部命令，在黑夜中冒着倾盆大雨向平型关以东前进，拂晓前抢占了通向平型关的汽车路两侧高地，在这里冒雨设伏。次日上午七时左右，板垣师团第二十一旅团进入伏击地。一一五师吹起冲锋号，战斗开始了。由于利用有利地形，采取伏击手段，发挥了战役的突然性和近战特点，日军的飞机和大炮也难以发挥威力。经过一天激战，共毙敌一千多人，缴获大量军用物质和日军的秘密文件。

    此战是八路军开赴山西后第一次与日军的作战，是卢沟桥事变以来中国军队对日作战中取得的第一次大捷。捷报传来，举国欢腾。

    平型关战斗结束后，鉴于日军大迂回包抄太原的战略计划，以及八路军面临陷入被动的可能，朱德根据毛泽东的部署，迅速将八路军各部由集中配置改变为分散配置，实行大规模战略展开。

    第一一五师控制五台山、恒山，活动于晋东北，着手创建晋察冀抗日根据地；第一二零师控制管涔山，活动于晋西北，并以一部到冀西活动；一二九师则进入正太铁路以南的平定地区，然后着手创建以太行、太岳山脉为依托的晋冀豫边根据地。此外，八路军政治部副主任邓小平还率领一批干部，前往日军尚未到达的晋西吕梁山地区开辟工作。

    这样，朱德指挥八路军各部在山西一带分布的基本格局便大体确定下来。

    朱德率八路军的到来，使山西、河北战地的群众有了凝聚的核心力量。他们在当地共产党组织的号召和领导下，在八路军支持下，纷纷起来组织抗日游击队。比如，在河北有共产党员杨秀峰领导的冀西游击队；在山西有中国共产党山西省工作委员会（薄一波任书记）组建的山西牺牲救国同盟会和山西青年抗敌决死队。

    国民党军队放弃从雁门关到平型关的内长城纺线后，忻口会战已成为山西战局的中心。

    朱德指挥八路军各部在日军侧后投入作战，支援正面防御的友军。在忻口战役中，双方合作取得了较好的成果。

    十月中旬，雁门关和平型关两处要隘先后被一二零师和一一五师分别收复，使大同和张家口向忻口日军运送人员、物资的两条通路一度被八路军截断。前线日军只能主要靠空运来维持需要，战斗力大大虚弱。十月十九日，一二九师陈锡联团一个营夜袭阳明堡日军机场成功，一举焚毁日机二十余架。这就极大地减少了日军对友军的轰炸，减少了友军的损失。

    忻口战役是抗战初期华北战场上作战规模最大、对日军打击最沉重的一次战役。但是，如果没有八路军在日军侧后积极活动，截断他们的交通线，正面友军也很难坚守二十一天之久。忻口会战期间10月28日，在娘子关失守、晋东南战局危急的情况下，朱德率领八路军总部与第一一五师师部及第三四三旅，由五台地区南下。八路军总部由南茹村抵柏兰镇。10月29日，朱德率八路军总部抵达盂县上社。

    至此，朱德率领八路军总部在五台县指挥各部作战一个多月，迟滞了日军的西进，帮助忻口和太原的国民党友军获得向南转移的宝贵时间，免受更大的损失；同时也极大地增强了民众抗战的决心，宣传了中国共产党的抗战主张。