正太路，从正定到太原，横贯太行山脉，跨崇山峻岭间蜿蜒西去，把巍巍太行山劈为两截。全长249公里。它是华北日军的重要战略交通线，也是日军对八路军根据地进行破坏的重要封锁线之一。在这条铁路线上，有天险娘子关和日军在华北的重要燃料基地阳泉、井陉煤矿。如果正太路被毁，山西境内日军的给养补充和外运掠夺的战略物资将发生极大困难。因此，日军历来以重兵把守，在沿线的城镇、车站、桥梁、隧道附近，筑有坚固的防御工事，在铁路两侧10～15公里地区，还设有外围据点，可谓戒备森严。
9月20日，正太铁路破袭战全面展开。晋察冀军区部队在司令员兼政治委员聂荣臻的指挥下，组成左、中、右3个纵队，重点破袭阳泉至石家庄段。在阳泉和石家庄之间的井陉煤矿煤质优良，开采量大，挖出来的煤除供给华北日军外，大部分都运到日本去了。因此，晋察冀军区领导指示一定要消灭占领矿区的守敌，不让宝贵的矿藏白白地为日军掠夺。
担任破击井陉煤矿任务的是晋察冀军区1分区3团。部队悄悄进至距煤矿十多里的山沟里隐蔽起来。天黑后，各部队陆续钻出山谷，进入各自的预定展开位置。22日晚10时，在整个正太路上几乎同时响起了枪声和手榴弹的爆炸声。3团的官兵在这爆炸声中直扑井陉煤矿新矿区。
正当3团向矿区纵深攻击时，日军设在矿区制高点上的一座中心碉堡喷射出一道道火舌，许多战士被压在了碉堡下的山坡上。打不下中心碉堡，井陉矿井就破坏不了。而且时间延长，附近的日军也会赶来增援。3团团长立即将预备队投入战斗，几个连队的火力像飓风一般朝一个目标扫去。几名无畏的勇士抱着炸药包，前仆后继地冲了上去，终于把中心碉堡炸毁。敌人消灭了，天也大亮了。全身乌黑的矿工从各个角落涌了出来，欢迎八路军的到来。矿工和八路军战士一起，把日军的枪支弹药和各种军用物资搬了出来，而后将矿井和机器设备全部炸毁。
井陉矿井的硝烟未散，盘踞在岗头志矿的日军害怕被歼，不敢向这里反击，只是疯狂地打炮，井陉煤矿火车站副站长加藤清利夫妇被炮火炸死，遗留下的一对日本小姑娘在硝烟中大哭大叫。八路军战士见了，奋不顾身地冲了进去，将她们从火海里救了出来。杨成武司令员立即令人把这两个小姑娘送到前方指挥所。这两个小姐妹，稍大的那个约莫五六岁，穿着一件又脏又破的小连衣裙，头发乌黑，圆圆的小脸蛋上挂着泪珠，一双大眼睛闪着惊惧不定的眼光，令人爱怜。小的那个，最多只有一岁，右肩胛还受了伤，此时，她合上睫毛长长的眼睛，已经在战士的怀里睡着了。
当杨成武司令员向聂荣臻司令员报告后，聂司令员高兴地说：“很好！很好！你们做了一件很有意义的事。你们要把孩子照顾好，等他们吃饱后，马上派人送到我这里来。”聂司令员见到这两个日本小女孩后，亲自给她们买糖果、饼干，派军医给他们治伤看病。后来，聂司令员还亲笔写了一封信，派人将两个小女孩送到石家庄，请日方将两名孤女转交其亲属抚养。
八路军从战火中救出日本两个小姑娘的事迹，在日军内部引起极大的震动。事隔40年之后，中国新华社发表了《日本小姑娘，你在哪里》的文章。日本《读卖新闻》予以转载，轰动日本各界。几天后，就找到了当年那个五六岁的小姑娘——美穗子。美穗子应聂荣臻元帅之邀，前来中国访问，以额触聂帅之手，感谢当年救命之恩。
在晋察冀军区部队对阳泉至石家庄段进行破袭的同时，第129师在师长刘伯承、政治委员邓小平的指挥下，组成左右两个破袭队和一个总预备队，破袭阳泉至榆次段。由于集中了优势兵力，又经过周密的准备，摸清了敌情，所以进展非常顺利。战役一开始，战场的主动权就始终掌握在129师手中。经过一夜激战，左右纵队连续攻克芦家庄、和尚足、马首、桑掌等车站、据点，消灭了日军的有生力量。到8月25日，他们又连续攻克上湖、燕子沟、坡头、狼峪等据点。至此，正太路西段除寿阳等少数据点外，已基本为八路军控制。
就在破袭战开始之前，刘伯承师长、邓小平政委根据对敌情的分析，预料到战役发起之后，驻扎在这条铁路线上的日军片山旅团将会抽集大部兵力，进击129师右侧背。所以在部署兵力时，除编左右两个纵队外，还以主要兵力编为预备队，预伏在狮垴山一线，以防敌人侧击。狮垴山位于阳泉西南，是控制正太铁路的咽喉要地。日军片山旅团为挽救其分散守备部队被八路军各个击破的命运，纠集了当地可以调遣的兵力，并武装了住在阳泉的日本人，白8月21日开始，129师据守的狮垴山高地发动了猛烈的进攻，企图夺占这一关系战役成败的要隘，阻挠八路军战役计划的进行。
守卫狮垴山的部队凭险阻击，顽强战斗，打退了日军一次又一次的进攻，给日军以重大杀伤。仅21日，就伤亡百余人。22日晨，日军200余人又向狮垴山东高地进攻，激战终日，仍无进展。次日，日军再次对狮垴山阵地实施炮击，并发射了带有毒气的化学炮弹。午后，日军飞机20余架轮番低空轰炸扫射，均未奏效。狮垴山争夺战，129师整整坚持了6昼夜，有力地保障了左翼部队的行动，大大打击了日军的威风。左翼部队连日在高平、道坪、红凹、卷峪沟地区歼灭分散守备的日军，炸毁日军的据点，而后均安全转移。其中八路军第386旅和决死1纵队在榆社西北的双峰地区，把从太谷出击的日军第36师团永野大队包围，经一昼夜激战，歼灭日军400多人，永野大队长亦被击毙。
9月20日，120师在师长贺龙、政委关向应的指挥下，对同蒲路北段及其两侧主要公路日军之据点，展开了大规模的破袭。军民齐上阵，万众一条心，把铁路公路破坏得百孔千疮，使日军很长时间不能利用。在破袭战中，120师还与同蒲路沿线守备之日军进行了160余次战斗，一度袭入宁武、五寨等城镇。与此同时，八路军在地方游击队和民兵的配合下，对华北其他主要铁路、公路也进行了广泛的破袭，并攻克了一些据点，歼灭了部分日军。
八路军突然猛烈的攻击，使正太铁路沿线的日军在数日内联络中断，情况不明，陷入混乱状态。日军查明情况后，即紧急调集兵力，进行疯狂的反扑。
八路军总部根据敌情的变化，调整了作战部署，抗击日军的反击。9月2日，日军8000余人，合击正太铁路南侧的安半、马坊地区的第129师，该师英勇抗击，先后毙日军600余人，而后转移。晋察冀军区乘日军集中兵力向正太铁路南侧反击，北侧较为空虚之际，主动向盂县周围的日军出击，收复了会里、上社、下社等据点，有力地打击了日军。在此期间，第120师也频频出击同蒲线之日军，使日军难以抽调兵力增援正太路。至9月10日，八路军基本达到了瘫痪华北日军各交通线的目的，结束了第一阶段作战。
早在第一阶段作战结束之前，彭德怀副总司令就提出了乘胜扩大战果的设想，于8月31日上报中央军委，同时下发各部队指挥员。9月10日，中共中央发出了《关于军事行动的指示》，要求全军应集中力量打击敌人，明确指出，应仿照华北百团战役先例，在山东及华中组织一至几次大规模的对敌进攻行动，在华北则应扩大百团大战之战果。根据中共中央的指示，八路军总部于9月16日发出第二阶段作战命令，要求继续破坏敌之交通线，摧毁日军深入根据地内的某些据点。参加百团大战的八路军各部队展开第二阶段的作战。
9月22日，晋察冀军区发起涞（源）灵（丘）战役和一系列对铁路公路的破袭战。晋察冀军区组成左右两支攻击队，右翼队主攻涞源县城，左翼队阻止灵丘、广灵、蔚县方向可能增援涞源之敌，并以一个团为总预备队。
22日，右翼队向涞源县城发起了进攻。战士们匍匐前进，砍开涞源县城外围据点的铁丝网，紧接着把日军哨兵也砍倒了。正在碉堡内睡觉的日军被惊醒，可未等他们还击，八路军战士就把成捆的手榴弹扔进碉堡内，把日军炸成了肉泥。接着，八路军就向城内冲去。但是，由于日军城内工事坚固，防守严密，攻城部队虽发起多次攻击，恶战了一夜，仍未能攻克，反而伤亡较大。聂荣臻随即命令停止攻城，将战斗目标转向扫除外围日军据点。
当晚，晋察冀军区1分区2团在1团的配合下，向涞源县城外围的日军重要据点三甲村发起进攻。至24日清晨，三甲村150多名日伪军全部被歼。
涞源外围另一重要据点是东团堡。东团堡的日军战斗经验丰富，他们凭借坚固工事，将轻重机枪和掷弹筒打得如泼水一般，还不时地施放毒气和实施反冲击。战斗打响时，正巧士官教导大队井出大队长接替原大队长甲田，这两个家伙都被围在里边，所以日军打得更加疯狂。24日上午，日军甲田大队长赤膊上阵，亲率数十名日本兵向3团9连的阵地扑来。9连与日军激战3个多小时，打退敌人的6次冲锋，冲进敌群与日军肉搏战的1排全部牺牲。当日20时，3团对敌核心工事发起总攻，日军抵抗不住，连连败退，最后退守东北角碉堡顽抗，并施放毒气，致使3团人员大部分中毒，攻击只好暂时停止。25日下午，3团再次从四面对日军固守的碉堡猛攻。日军甲田大队长见大势已去，便把粮食、物资和弹药堆放在一起，命令所有的人跳火自焚。他还挥舞指挥刀，把一个不愿自焚的日本兵的肚肠挑出来，杀一儆百。等到3团冲入碉堡时，日军官兵已全部烧死。
28日，张家口日军3000余人乘汽车，在飞机、坦克的配合下，急速向涞源地区增援，并于当日进抵涞源县城。10月1日，八路军攻克的大部据点又被日军占领。右翼队放弃夺取涞源，向灵丘方向转移。10月7日至9日，左翼队在右翼队一部配合下，先后攻克了南坡头、抢凤岭、青磁窑等日军据点。9日下午，大同日军千余人增援至浑源，并继续向灵丘地区进犯。于是晋察冀军区于10月10日结束涞灵战役。
129师在百团大战第二阶段主要实施了榆辽战役。榆社到辽县的公路是日军楔入抗日根据地平辽公路的前锋段，日军早就企图把这条公路再向榆社西南延伸，经武乡与白晋路连接，以达到分割八路军太北区根据地和便于运兵的目的。日军在榆辽公路上共设有榆社、沿华、石匣、管头等7个城镇与村落据点，由日军第4混成旅团池边大队主力守备。这段公路突出伸入抗日根据地内，工事设施坚固，兵力兵器较强，榆社和管头据点都各有一个日军加强中队守备。
129师第二阶段的作战中心是拔除辽县至榆社公路沿线日军据点，相机收复和顺、辽县两城，并准备在辽、榆、武地区歼灭可能由平辽或白晋方面的增援之敌。
榆辽战役于9月23日发起。正如预料的那样，辽县之日军即行西援，预伏在辽县以西狼牙山的129师一部兵力，立即伏击增援之敌。日军遭到突然打击抵挡不住，仓皇退回。129师左集团和右集团同时发起攻击后，连克沿华、王景、小岭底和铺上等日军据点。在日军的猛烈还击面前，攻击部队进行了坑道近迫作业，用炸药炸开碉堡攻入城内，终于攻占了榆社。
进攻管头据点的129师右翼集团，由于受地形所限，在攻占敌一个碉堡后，未获进展。于是，一部兵力围困管头，其余兵力转攻石匣，然后再相机夺取管头。经连续激战，被围之敌已弹尽粮绝，右翼集团攻占了石匣并乘胜攻克管头。
129师新编第10旅进攻辽县的战斗尚未发起，和顺、武乡之日伪军800余人即前来增援。刘伯承师长、邓小平政委果断命令攻打辽县的部队，除以一部围城外，主力撤回，预伏于榆辽公路的红岩头一带，准备打伏击。半夜12时，伏击部队到达预伏地点，拂晓就打了个成功的伏击战。后来，由于武乡东援之日伪军不断增多，辽县西援之日军也突破了八路军狼牙山阻击阵地。在此情况下，八路军总部决定第129师各部撤出战斗，结束榆辽战役。
在百团大战中，八路军共作战1824次，歼日军20645人，伤敌军5155人，破坏铁路474公里、公路1500余公里。八路军伤亡1.7万余人。百团大战有效破坏了日军在华北的主要交通线，拔除了其深入根据地内的部分据点，歼灭了大量日伪军，缴获了大批军用物资，鼓舞了中国人民抗战胜利的信心，提高了中国共产党和八路军的声望。
百团大战不仅震动了中国，而且震动了世界。美国合众社驻北平记者冲破了日伪军的严密封锁，向国际上连续报道了百团大战的消息。美国著名记者史沫特莱曾对百团大战作了这样的描述：从晋西高山，到东海海岸，从黄河到长城边，都成了战场，“一百团人打击了敌人的整个经济、交通线和封锁网，战斗是炽烈而无情的。”百团大战，以它的辉煌战果而载入第二次世界大战著名战例的史册。