1937年10月18日至21日，八路军第120师第358旅716团在山西省代县雁门关以南黑石头沟地区连续两次设伏，沉重打击了日军汽车运输队，一度切断日军补给线，有力配合了正面战场的忻口防御作战。
深入敌后，打开局面。1937年9月，日军侵占大同后继续向南进犯太原。根据八路军总部“配合国民党军在太原忻口地区的防御作战，保卫太原”的命令，第120师师长贺龙命令第358旅716团深入日军侧后，在代县广武、雁门关、太和岭间活动，担负破击大同经代县、忻口到太原公路的任务，以隐蔽突然的游击战不断袭击日军汽车运输队，进而截断日军忻口方向的战役补给线，以减弱日军的战役攻势、减轻国民党军的防御压力。
9月底，遵照八路军总部命令，第120师以第716团2营为基础组建雁北支队，在支队司令员宋时轮的指挥下，北越长城，挺进雁北地区，在半个多月时间内先后收复井坪、鲁县等地，并对同蒲铁路朔县至大同段展开铁路破袭战，相继破坏重要桥梁数座，伏击日军运输队两次。雁北支队的接连获胜，既积累了敌后破击战经验，也通过广泛发动和组织群众，初步打开雁北地区军民同心协力抗战新局面。
周密侦察，精选战场。贺龙针对日军气焰嚣张、戒备疏忽等特点，决定趁敌不备、出其不意，对敌由大同经雁门关至忻口这条战役补给大动脉实施伏击作战。10月16日，当第120师获悉日军将有一支汽车运输队经雁门关至忻口的情报时，贺龙随即将伏击任务交给“打起仗来不要命”的猛将贺炳炎，并命令第358旅716团展开战前动员和作战部署。为确保第120师与日军首战的必胜，第716团多次派出侦察员，对日军运输队的机动路线、机动范围、机动频次和兵力部署等情况进行详细侦察，基本摸清日军汽车运输队的活动规律。17日拂晓，贺炳炎率领营、连干部深入雁门关地区勘察地形，精心选择了日军汽车运输队必经极险之路——雁门关以南黑石头沟一带作为伏击战场。
雁门关，位于山西省忻州市代县以北约20公里处，为历史上著名的隘口，也是长城上的重要关隘，雁门关以“险”著称，被誉为“中华第一关”，有“天下九塞，雁门为首”之说。雁门关公路在黑石头沟处由西向东绕了一个大圈，公路西临悬崖，北靠陡坡，南有石拱桥，黑石头沟整体地势南低北高，沟底遍布乱石，是绝佳的伏击之地。
隐蔽设伏，初战告捷。18日凌晨，第358旅716团主力在团长贺炳炎、政治委员廖汉生率领下，经一名老乡引领，在暗夜中沿着偏僻山间崎岖小道隐蔽机动，天亮前到达预定设伏地域。之后，3个营迅速占领雁门关以南黑石头沟公路西侧高地有利地形，各1个连的兵力分别担负阳明堡方向警戒阻援和石拱桥以西断敌退路任务。各部队到位后，迅速构建简易防御工事和伏击阵地，耐心隐蔽待机，悄然做好了战前准备。
10时许，当日军汽车运输队由北向南驶来之际，第716团紧急得到南面阳明堡方向又有100余辆日军汽车开来的情报。面对日军数量的增加，贺炳炎果断命令部队一并伏击两股敌人。当日军南北两队汽车运输队全部开进狭窄的黑石头沟、正值并排交错之时，贺炳炎立即下达“打”的命令，第716团随即居高临下、以逸待劳，采取堵头截尾的方式，以炮火炸毁日军先头和后尾车辆，继而以密集猛烈的轻重机枪、步枪和手榴弹等火力，将因嚣张而疏忽警戒的日军压制在黑石头沟底。一时间，日军无处藏身、人仰马翻，陷入混乱。第716团乘机发起冲锋，官兵勇猛冲下山与日军展开白刃战。激战中，日军从阳明堡方向驶来200余辆汽车企图增援，第716团采取分段伏击、警戒阻援的战法，主力仍坚持对敌汽车运输队实施分割包围和逐段歼灭，另兵分一部阻击由南向北增援之敌。激战至夜间，八路军共毙伤日军300余人，击毁敌汽车20余辆。随后，在敌增援兵力源源不断涌来，我作战部队极度疲劳、战斗力大为减弱的不利情况下，为避敌锋芒、保存自己，第716团指挥员命令其主力趁夜色撤出战斗。
再次设伏，及时撤出。20日夜，第716团一改“用兵不复”的公认作战原则，再次趁夜色潜入雁门关地区，决定兵分三路实施设伏，一部趁夜色复占雁门关并再次隐蔽前往黑石头沟地域设伏，另两部连夜出击破坏广武至太和岭间的公路及桥梁。21日晨，第716团再次占领黑石头沟地区有利地形，迅速构设伏击阵地。9时许，日军由南而北的200余辆汽车和由北而南的数十辆汽车相向而来。当两股日军进入伏击区后，第716团充分利用地形优势，以突然而猛烈的火力向日军两支汽车运输队展开袭击。日军在短暂混乱后急忙组织约1个营的步兵下车反击，并紧急召唤8架作战飞机实施空中火力支援。面对日军空地密切协同的顽强抵抗，第716团全体官兵英勇作战，击退日军数次反扑，共击毁日军汽车10余辆。在敌我兵力悬殊、战场态势不利于我的情况下，第716团适时撤出战斗。
18日至21日，第716团在雁门关以南黑石头沟地区连续两次伏击作战，共毙伤日军500余人，击毁汽车数十辆，致使日军由大同经雁门关至忻口的后方补给线中断数日。与此同时，八路军第115师也切断蔚县至代县的日军交通线，使忻口之敌陷入弹药补给濒于断绝、油料供应无以为继的窘迫局面，一定程度上迟滞了日军的战役攻势。
雁门关伏击战是抗战初期我军具有代表性的一次战斗，是八路军继平型关大捷后取得的又一次较大胜仗，也是八路军抗战初期三个“首战告捷”（平型关大捷、雁门关伏击战、夜袭阳明堡）之一。此次伏击战，充分体现了游击战“打得赢就打，打不赢就走”的战术思想，进一步扩大了八路军的影响，振奋了军民士气。毛泽东同志在《抗日游击战争的战略问题》一文中指出：“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、阳方口汽车路，所起的战役配合作用，是很大的。”
