就在周大少团长的北上纵队弟兄们唱着嘹亮的军歌欢呼胜利的时候，第八路军115师袭取灵丘县城的战斗却正进行的如火如荼、十分胶着。
115师突入灵丘县城还是比较顺利地，驻防灵丘的日军根本没有想到还有一支近万人的队伍就在附近窥视灵丘县城：就在灵丘县城的大队日军出发救援被伏击的第五辎重兵联队三个小时以后，9月25日正午12点，八路军115师正式发起了收复灵丘县城的入晋八路军的首战。师长以344旅687团占领灵丘县城以西的西沟桥地区，切断了日军回援的道路，以阻击随时可能返身回来的日军。另以343旅686团及344旅688团一部计四千余人攻打灵丘县城留守的日军七八百人，以344旅688团一部留作预备队防止意外情况的发生。
攻打灵丘县城的343旅686团及344旅688团一部，在预先潜入灵丘县城的人员接应下，迅速突进县城，把留守灵丘的日军分割包围在县中学宿营地、21旅团兵站部、21联队联队指挥部等几个地方。这次战斗是改编成国民革命军新编第八路军的红军战士第一次见识凶悍的小鬼子队伍：装备精良不说，战斗素质和顽强精神也不亚于百战余生的红军将士们，军事素质那就强太多了。光舀下一个一百多小鬼子防守的21旅团兵站部（还有不少日本人是文职人员），就伤亡了686团数百名老战士。这些可都是经过万里长征留下的老骨头啊！八路军伤亡是小鬼子的三四倍，其中干部伤亡比例尤其大（跟队伍基层干部以身作表率有关，不同于周大少团长一时热血沸腾带头冲锋哈）。686团的团长李天佑又急又气，也差点上去拼命了。
而且由于第五师团是当时侵华日军中机械化程度较高的十七个常设师团之一。虽然大部分装甲车、战车都在攻击平型关前线，或者跟随刚才的援军走了，灵丘县城只是留下了两辆装甲车，一辆战车（坦克车），但由于装备简陋的八路军115师也没有像周大少团长的北上纵队那样专门有打击日军装甲目标的神兵利器（周大少团长的队伍每个战斗小队都有反战车兵器）。为了消灭这三辆装甲目标（守城日军作为了移动式炮台），115师就阵亡了包括一个连长（由于改编缩编了这个连长原是位红军团长）在内的一百多名老红军，完全是用人命换来的！
打到下午四点钟，消灭了四、五百小鬼子（其中有一些是朝鲜人，日本人用来当劳工的，不发武器，蔑称其为“荷物”），灵丘县城大部分是舀下了，只留下了县中学日军宿营地及21联队联队指挥部两个坚固据点。由于八路军伤亡太大，也无力再发动强攻，最终还是让二百多小鬼子顺利突出去了。此一役，八路军115师全师伤亡达一千六百余人，其中主攻的李天佑的343旅686团三千余人伤亡比例达30%以上，几乎丧失了战斗力，部队阵亡营连排各级干部达一百余人。李天佑团长，杨勇副团长的眼睛里都能滴出血来了。
收复灵丘县城的战斗结束后，、聂荣臻在给中央的情况通报中检讨了自己盲目攻打日军占领县城的轻率行动，特别提到“其装备精良，军事素质之高和战斗作风之顽强不同于所见国内的任何一支部队。我八路军部队以后不宜再做此类得不偿失的攻击，应以运动战、游击战、伏击战等灵活的战术为主（就是打得赢就打，打不赢就跑个嘛）”从胜利收复灵丘县城一役后，八路军清楚地看到了敌强我弱的巨大实力差距，从此确定了以建立抗日根据地，广泛发动群众，实施人民战争和游击战等为主的战略战术，走上了一条适合自己情况和特点的实事求是的抗战道路。
虽然收复灵丘县城一役，伤亡惨重，但八路军115师的收获也是巨大的。由于灵丘县城是攻击平型关日军21旅团的前哨补给兵站（日军中旅团以上才设兵站，联队是为大行李），115师缴获了大量的枪支弹药和军用物资，其中光是御寒军大衣，就够115师数千攻城部队人手一件。当然是崭新崭新的哟，不是周大少团长缴获的那些遭他娃“天女散花”祸害过的军大衣。因此两支都打了胜仗的队伍如果一对比：八路军115师面貌一新，威风凛凛；周大少团长的北上纵队虽然也人人披件日军军大衣（御寒），却是又脏（满是灰尘血渍）又破（到处是窟窿眼），像支“告花儿”部队！终于外貌上符合了人们心目中那支熟悉的烂杆子川军队伍了嘛。
但在贺君玲小姐的眼睛里，周大少团长的这支“告花儿”队伍却像美丽绽放的一朵花儿！最后统计上来的战果太惊人了：周大少团长的两千多人的队伍，前后三次连环伏击战，历时七个多小时。以伤亡170余人的微小代价，击毁日军（三拨）大卡车二百多辆，装甲车十余辆，战车七辆，骡马大车近千挂（由于炮火凶猛，连炸带烧这些东西几乎都成了框架结构了，成了一堆堆的废铜烂铁，缴获就谈不上了）。从覆盖了整个山谷公路的尘土碎石中找到了尚完好的步枪五千余支，掷弹筒192具，机枪120挺，重机枪48挺，小山炮16门，九二式步兵炮12门（由于100mm以上的大口径野战炮被三浦敏事扔在了平型关前，残余的两千多日军扔