八路军第120师在贺龙率领下挺进到同蒲路北段，一直在宁武、神武、朔县一带发动群众开展游击战争。≤，团长贺炳炎、政委廖汉生，从贺龙师长那里接受了任务，便率716团向雁门关开进。经过三天急行军，抵达雁门关西南十多里的老窝村。部队驻扎后，发现敌人汽车不时地从雁门关下通过，不断传来隆隆的炮声。
10月16日，贺炳炎得到情报：大同日军集结三百多辆汽车，满载武器弹药，好像要经雁门关向南开往忻口去，每隔四五天就有日军车队通过。贺炳炎与廖汉生商定袭击日军车队。
17日黄昏，贺炳炎与廖汉生率部到达雁门关西南。经过侦察，他们决定在雁门关以南黑石沟公路两侧高地设伏，袭击从雁门关而来的日军运输车队，并派少量兵力占领雁门关。
贺、廖将此计划报告师部，贺龙当即复电批准。
贺炳炎、廖汉生作了战斗部署：全团一起出动，第1营、2营设伏于公路附近陡坡南北，第3营担任主攻。18日凌晨，部队趁着夜色进入了设伏区。天亮前，全都部署完毕。
天亮了，贺炳炎、廖汉生站在山顶上用望远镜观望，公路上仍然没有什么动静。等到10时许，只见北边公路上升腾起一片烟尘，接着传来汽车马达声。日军车队开来了。头一辆车上坐满了日军，一个腰挂军刀的军官手持望远镜不停地向山上张望。敌人在平型关吃了苦头，现在谨慎多了。汽车越来越近，听到了车上日军叽里哇啦的说话声。
战机到了，贺炳炎一声令下：“打！”机枪、步枪一齐开火，敌人的弹药被打着了，发出剧烈爆炸声。日军急忙跳下车准备反击，3营战士趁机向日军冲去，双方展开惨烈的肉搏战。
不多时，日军大部被消灭，少数在顽抗。指导员胡觉三发现汽车底下趴着一个鬼子，想捉活的，不料刚跑过去，就被鬼子开枪击中胸部，不幸牺牲了。
“为指导员报仇！”战士们怒火中烧，对着残余之敌猛烈射击，很快就战斗结束了。
廖汉生对贺炳炎说：“这么多汽车，赶快炸掉吧。”
贺炳炎说：“好！”战士们奉令而行。
顿时爆炸声四起，烟火弥漫，一辆辆汽车燃起的火焰，把雁门关照得通红。日军增援部队赶来了，日机也在空中助威。贺炳炎、廖汉生立即命令部队带着伤员撤出黑石沟。
716团这次黑石沟伏击战，毙伤日军三百余人，炸毁汽车20余辆，切断了日军主要交通运输线。716团牺牲50人，负伤53人。
接着10月21日，716团在雁门关西边的垭子口，又一次伏击了日军，与敌激战两小时，毙伤日军60余人，该团牺牲20人，负伤13人。
10月14日黄昏，第120师715团在张宗逊、李井泉指挥下，袭击了南北大常，攻占了永兴村，歼敌100余人。此后，张宗逊、李井泉即率部队向东活动，袭扰牵制日军。
10月16日，王震率领第359旅到达崞县以西的贺家店。贺龙命令他在崞县、代县地区寻机作战，切断敌人交通。
10月23日，王震指挥717团在阳明堡以南的王董堡附近设伏，截击日军由崞县北开的80余辆汽车，激战两小时，击毁汽车30余辆，毙伤日军三百余人，有力阻击了日军的交通运输，使日军粮食、弹药补给造成了极大困难。
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，使进攻忻口的日军攻势顿挫。
卫立煌在忻口会战后，曾对******说：“八路军把敌人几条后路截断了，给我们忻口正面作战的军队帮了大忙。”