眼看着敌人长龙般的车队马上就要进入伏击圈，3营突然送来报告：南面阳明堡又开来200多辆汽车，估计他们会在这一带会合。敌人数量无形间增多，为战斗增加了困难。
廖汉生高兴地说：
“既然送上门来了，就一起吃掉它，如果放走这到嘴的美味，那可真有些可惜了……”
“好，那就一块儿干掉它!马上通知各营，听统一号令，准备战斗!”贺团长命令道。
两路汽车鸣着喇叭，大摇大摆地开过来了。南来的车队，几乎都是空车，只有第一辆车上坐着十几个鬼子兵，后面的少数几辆车里装有伤兵和死尸。北来的车队可就不同了，一共有50多辆，满载兵员、弹药。最前面的车上坐着掩护部队，荷枪实弹，不时警惕地注视着四周，一副如临大敌的架式。
两个车队正巧在八路军伏击圈内交会了。车上的敌人看到对面的车队，高兴得哇哇啦啦地大喊大叫，手舞足蹈。忽然看见车上面还有伤兵和死尸，慌忙又纷纷脱帽致哀，有的还居然呜啦呜啦地唱起了挽歌。
正在此时，随着贺团长的一声令下，三发红色信号弹飞上天空。平射炮和迫击炮首先开火，只听得几声隆隆的巨响之后，前面的几辆汽车陡然间飞上了天，然后火光一闪，又轰轰地爆炸起来。为断敌车队后路，炮兵立即调整炮口，瞄准两个车队的后尾，又是一阵齐射。后面的敌人见势不妙，掉头就跑。
“打!”
3营营长王发祥挥动着驳壳枪，指挥全营官兵朝着公路上的敌人开始了第一轮攻击。各种枪弹、手榴弹，在敌人的汽车前后爆炸开来。有的直接落到了厢板上，打得敌人无处藏身，有的落在车头上、轮胎上，把原来一辆辆威风凛凛的汽车炸得东倒西歪……
“冲啊!”
王营长驳壳枪一举，3营的官兵们手端步枪和机枪，如汹涌的波涛冲下山冈。
日军在突然的打击下刚刚清醒过来，正要组织反击，汽车上的弹药开始爆炸，一声声如雷爆般巨响，汽车被炸得轮滚板飞。
冲上公路的八路军战士们大声呼喊着，与残余的敌人展开了白刃战。十多里长的公路上，刺刀撞击铿锵声，血肉迸飞的惨嚎声，拼死挣扎的呼喊声搅成一片。
在这次伏击战中，129师的官兵们接受了115师的沉痛教训。在不久前的平型关大战中，115师虽歼敌上千人，但也付出了好几百人的巨大损失。“据说，当时很多鬼子都躺在地上，等八路军靠近时突然起来开枪”。因此，129师的官兵们不再呼喊“缴枪不杀”的口号，只要鬼子没放下枪，不举起双手，就毫不手软地将他消灭掉。
第11连指导员胡觉三，挥舞长征时带过来的鬼头刀，连续砍死两个日本兵，解救了被围战士，自己却被钻在汽车底下的鬼子射中前胸，光荣牺牲。
“为指导员报仇!”的口号声响彻山谷，激励着广大指战员奋勇拼杀。
一个多小时后，枪声渐渐稀落下来，公路上的火药味浓烈扑鼻，日军官兵的尸体横七竖八地躺在公路上、山坡上，有的淹没在一尺多深的烂泥里。
战斗胜利结束了。方圆数十里内的老乡们听说八路军在雁门关打了大胜仗，都好奇地赶来了，黑石头沟里充溢着一片开心的欢笑声。他们和战士们一起搬运战利品，清扫战场。
廖汉生政委正在战场上巡视，忽然看到一名年轻战士正在用铁锹狠命地砸汽车，一边砸一边气呼呼地骂：
“我叫你跑，我叫你驮小鬼子……”
廖汉生看了直想笑，有罪的不是汽车，而是日本鬼子，汽车是我们的战利品，可是由于我们现在打的是游击战，也没有人会开汽车，因此这些战利品只能处理掉。想到这里，廖政委阻止道：
“不要砸了，用炸药炸掉，绝不能把它们再留给鬼子……”
响声四起，黑烟弥漫。敌人的一辆辆汽车冒出了滚滚的浓烟。紧接着，贺炳炎团长命令部队迅速撤离了战场。当阳明堡的日军闻讯赶来增援时，这里只剩下一片日军尸体和汽车残骸了。
此战，共毙伤日军300余人，击毁汽车20余辆。
20日夜，第716团再次前往黑石头沟地区设伏。这次分兵三路：一路占雁门关，一路向广武镇，一路向太和岭，并连夜破坏8座桥梁。
21日上午9时，日军由南向北的汽车200余辆和由北向南的汽车数十辆相向而来。当其先头车辆驶入伏击区时，第716团居高临下，以突然而猛烈的火力展开攻击。
日军汽车因公路被破坏无法前进，约一个营的步兵下车迎战。日军吸取上次教训，防守严密，还派出5架飞机支援。但是经过两小时激战，日军仍然以3倍于我的伤亡败退。
两次伏击战斗，共毙伤日军500余人，击毁汽车30余辆。与此同时，八路军第120师切断了日军由大同到忻口的交通补给线，第115师打击了蔚县至代县的日军交通补给线，使进攻忻口日军的弹药、油料供应濒于断绝，攻势顿挫。
雁门关伏击战是继平型关大捷后，八路军打的又一个较大的胜仗。忻口会战前敌总指挥、国民党第二战区副司令长官卫立煌在战役结束后曾对周恩来说：
“八路军把敌人几条后路都截断了，对我们忻口正面作战的军队帮了大忙。”
毛泽东在《抗日游击战争的战略问题》一书中对此战给予了高度评价，指出：
游击战争还有其战役的配合作用。例如：太原北部忻口战役时，雁门关南北的游击战争，破坏同蒲铁路、平型关汽车路、杨方口汽车路，所起的战役配合作用，是很大的。
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