此役，第115师以劣势装备一举歼灭日军精锐第5师团第21旅团一部1000余人，击毁汽车百余辆、马车200辆，缴获步兵炮1门、轻重机枪20余挺、步枪1000余支、军马50余匹及其他大批军用物资，牵制了日军第5师团的进攻，支援了平汉铁路和同蒲铁路线上的国民党军作战。
平型关大捷是八路军首次集中较大兵力对日军进行的一次成功的伏击战，这次战斗打破了“日军不可战胜”的神话，沉重打击了汉奸亲日派的“抗战必败”“抗战必亡”的荒谬论调，给得了“恐日病”的人们当头一棒，极大地鼓舞了全国军民抗战必胜的信心，使全国人民看到了中华民族的希望所在。
这一战役由于慎重初战，战前进行了充分的准备，正确地选择了战场并利用有利地形，采取伏击手段，以及正确地部署和使用兵力，注意隐蔽行动企图，发挥了战役的突然性和近战特长，使日军飞机、大炮难于发挥威力，因而取得了首战胜利。
这一胜利，首先在政治上具有重要意义。在敌军长驱直入、国民党军败退、华北战局危急的形势下，八路军首战告捷，表现出中国人民确有战胜敌人的勇气和力量，使全国人民看到中华民族的希望所在，从而极大地振奋了全国的民心士气，增强了抗战胜利信心，提高了中国共产党和八路军的声望，并赢得了国际舆论的称赞与好评。
其次，在军事上有力地打击了敌之疯狂气焰，挫伤了敌之锐气，打破了日军“不可战胜”的神话，迟滞了敌军的进攻，打乱了它的右翼迂回计划，并有效地钳制了敌之精锐第5师团，迫使其将进至浑源和保定的一部分兵力转移到平型关方向，从而有力地支援了平汉铁路和同蒲铁路线上友军的作战，同时也为开辟晋察冀边区抗日根据地创造了有利条件。
这次战斗从整个抗日战争的历史看，虽不是大仗，但它震动全国，其意义深远。
第一，自抗战以来国民党军一直没有取得好的战绩。当时，南线的淞沪会战一直处在胶着状态，中国军队伤亡严重。保定、石家庄等大城市和平汉、津浦路北段的大片土地迅速沦陷，阎锡山的晋军也是连续丧师失地。平型关战斗干净利索地消灭千余日军，给予侵华以来横冲直撞的日军以沉重的打击。
第二，平型关战斗打破了日军突破平型关从右翼配合日军华北主力在平汉路作战的战略企图，迟滞了日军向山西腹地深入的进攻势头，挫伤了日军的锐气，使之不敢再贸然深入。为国民党方面部署忻口会战提供了时机，从而也就有力地支援了中国正面战场的抗战。
第三，八路军以远远不如国民党军队的简陋装备，主动迎战日军精锐师团，并首战大捷，极大地提高了八路军的声望，提高了中国共产党的威信。
第四，平型关战斗增进了中国共产党领导人对抗日战争规律的认识。毛泽东根据平型关战斗的经验，在1937年9月29日进一步提出八路军的作战方针：“根本方针是争取群众，组织群众的游击队。在这个总方针下，实行有条件的集中作战。”不久，他把它概括为“独立自主的游击战和运动战”，从而完善了我党领导抗日战争的作战指导思想。
第二战区战地动员委员会主任续范亭也曾著文深刻说明了平型关一仗对当时战局的意义。他说：“谨按平型关战役，八路军的大捷，其估价不仅在于双方死亡的惨重，而在于打破了‘皇军’不可战胜的神话，提高我们的士气。在敌人方面，从南口战役以来，日寇长驱直入，如入无人之境，在平型关忽然受到惨重的打击与包围被歼，使日寇知道中国大有人在，锐气挫折，不敢像以前那样的长驱直进。忻口战役敌人未敢贸然深入，我军士气高涨，未尝不是平型关歼灭战的影响。”