8月20日晚8时，担任破击铁路的各部，乘暗夜绕过日军外围据点，以突然迅猛的动作，向铁路各据点守备的日军发起了进攻，经一昼夜激战，即攻克芦家庄、和尚足、马首、桑掌等车站、据点，为破路和进一步扩大战果创造了条件。战斗延续到25日，又攻克上湖、燕子沟、坡头、狼峪、张净及外围据点冶西。除寿阳等少数据点外，正太路西段基本上为一二九师和决死队所控制。在部队的掩护下，由工兵和地方武装组成的破路队，对铁路、桥梁进行爆破，发动群众将铁轨及日军的军用物资运回根据地。为防止分散在铁路沿线的守备部队被歼，驻阳泉的日军片山省太郎旅团长，曾纠集其可能调动的兵力以及武装起来的日侨，自21日开始向据守狮垴山高地的七六九团进攻，妄图夺取制高点，打破八路军的破击战。片山指挥所部由两三百人增加到六七百人，在飞机的掩护下连续发动猛烈进攻。守山部队在陈锡联旅长的指挥下，与进攻的日军展开激烈的战斗，日军虽施放毒气，旅团干部多人中毒，战至25日，阵地仍屹立未动。26日起，日军增加兵力至一千五百余人，除继续以猛烈炮火攻击狮垴山阵地外，并向范子侠旅据守的平定以西冠山阵地进攻。我军为避免不利态势下与敌人决战，除以小部队继续与敌人纠缠，牵制敌人兵力外，主力则撤离狮垴山主峰，转移到破路战场。与此同时，太岳、冀南的一二九师和决死队，也对同蒲路南段和平汉路石家庄至磁州段进行了破坏。
日华北方面军遭此突然打击后，一度陷入混乱，及至弄清情况后，判定一二九师为这次"百团大战"的主力，遂由第一军军长筱塚义男指挥独立混成第四、第九两旅团，及三十六师团一部，于8月30日至9月18日对晋中地区进行第一期"扫荡"作战。31日，由榆次出动的日军第九旅团和由寿阳出动的第四旅团主力，在阳泉、和顺、辽县出动的敌人配合下，向马坊、安车地区合击陈赓部左翼集团，各部被迫停止对正太路的破坏，转入反"扫荡"作战。陈赓指挥三八六旅和决死队在各地阻击敌人，特别是卷峪沟阻击敌人十五个小时，打破日军合击马坊中心区的企图，掩护指挥机关、战勤组织及右翼各部的转移。同时，左翼部队于完成掩护任务后，也跳到外线，使一二九师各部由被动转入主动，捕捉战机消灭进犯之敌。6日，陈赓指挥所部在榆社西北双峰地区将太谷出犯的日军第三十六师团永野大队包围，经一昼夜激战，歼灭永野大队长以下四百余人。同日，陈锡联率三八五旅在张建设伏，重创撤逃辽县之敌。至此，粉碎了日军对晋中区的第一期"扫荡"。
一二九师经过短期休整后，又奉十八集团军总部命令，执行百团大战第二阶段作战任务：中心是拔除辽县至榆社公路沿线敌军据点（辽县不含），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顺、辽县或白晋线方面增援的敌军。各军区的部队仍继续执行对同蒲、平汉、石德等铁路的破坏任务，配合主力作战。辽榆公路为日军深入根据地平定至榆社公路的前锋段，日军企图将此路再向南伸延，经武乡与白（圭）晋（城）铁路连接，以达其既分割太北区，又能利用铁路、公路对晋东南八路军进行"扫荡"之目的。敌日军在沿线据点建筑有坚固工事和碉堡群，兵力配备亦较正太路沿线强。
刘伯承、邓小平对榆辽线的作战部署是：以陈赓三八六旅、薄一波决死一纵队各两个团为左集团，攻取榆社、沿华、王景三个据点。另抽出太岳第十七团、五十七团组成泌北支队，在沁县南北地区进行破路袭敌，配合主力作战；以陈锡联三八五旅并指挥三十二团为右集团，主力攻取营头、铺上、小岭底等据点，一部扼守辽县以西的狼牙山，阻击辽县可能西援的敌人；以范子侠新编第十旅分布于和、辽线上破路袭敌，牵制并阻击昔阳、和顺等地敌人，配合主力作战。
刘伯承、邓小平指挥的榆辽线攻坚战，于9月23日夜同时展开。次日晨，辽县日军西援，被狼牙山八路军击退，榆、辽沿线日军完全陷于孤立。24日，沿华、王景、小岭底、铺上四据点相继被八路军攻克。榆社日军赖坚固工事和碉堡群在飞机的掩护下顽抗。八路军采取坑道作业，发动第四次强攻，经过激烈的白刃格斗，始将敌人全部歼灭。此时辽县以西除营头因地势险要仍为日军固守外，辽、榆沿线已全部被八路军攻取。八路军正在按预定计划部署进攻辽县之际，和顺、武乡日军分别开始向辽县、营头增援。十八集团军总部根据敌情的变化，决定停止进攻辽县，将主力转移到红崖头、关地垴地区，准备歼灭由武乡东援营头之敌；对和顺南援之敌，则以一部兵力进行牵制。29日夜，八路军攻下营头，全歼守敌。30日9时，八路军伏击部队尚未完全进入阵地，由武乡东援的日军六百余人，即通过八路军预伏地带急速东进，其先头在榆树节以东与三八五旅遭遇，展开激战。进入预伏阵地的三八六旅、决死一纵队亦从敌人后尾侧翼同时展开攻击，将敌人四面包围。日军在八架飞机的掩护下顽强抵抗，截至当日24时止，八路军冒雨发动了十次猛攻，并数度与日军肉搏，歼敌过半，敌人始退据两三个山头固守待援。八路军由于屡次攻坚，伤亡甚大，形成对峙状态。至31日中午，辽县西援的日军四百余人突破狼牙山八路军的阻援阵地，进到铺上，和顺南援的日军也攻占寒王，两敌正向辽县合拢，解决困守山头之敌已不可能，遂经十八集团军总部批准，结束第二阶段作战。
为配合正太、榆辽作战，冀南军区配合太行军民将平汉路元氏至安阳段做了极大的破坏，炸断该段大部桥梁，并一度攻克邢台车站，对正在修筑中的德石铁路和邯济铁路路基也进行连续破坏，并发动群众对区内的公路和乡村大道进行彻底破坏。桂干生新九旅歼灭德石路青兰车站出扰之敌一个中队，缴获野炮一门及机关枪数挺，步枪数十支。太行区韦杰新一旅，除对安阳、磁县间铁路和长治、壶关、潞城等地公路进行辗转破击外，9月20日一度袭入长治飞机场，焚毁敌人飞机三架，击中一架。21日在安阳和同冶桥的战斗中，我军歼灭日军一个中队，俘日军十人。太岳军区除沁北支队在温家山顽强阻击由沁县出犯之敌五百余人达七小时之久，直接配合主力榆社作战外，对同蒲、白晋两铁路连续进行破击，8月21日一度攻占霍县车站。
（二）百团大战的第二阶段
日军华北方面军为报复八路军对交通线的破击，于10月中旬开始进行第二期晋中作战。
10月6日，日华北方面军第一军军长筱塚指挥驻平汉线的独立混成第一旅团八百余人由武安进犯阳邑一带，驻白晋线的第三十六师团三千余人，分多路合击榆社、辽县、武乡之间的浊漳河两岸地区。经八路军阻击，11日犯阳邑之敌逃回武安。敌三十六师团三千余人合围辽榆公路以南，武乡、蟠龙以北地区扑空后，14日继续进犯东田、左会地区，妄图寻找八路军主力作战或压缩八路军主力于辽县以南山地，为下一步大合围创造条件。经三八五旅、三八六旅和决死一纵队等部节节阻击，新十旅一部又在和辽公路弓家沟设伏，歼灭敌人运输队、毁汽车四十余辆，敌三十六师团各部遂于17日分途撤回据点。
敌人的第一期"扫荡"被粉碎后不久，筱塚义男又指挥其平汉线和白晋线的驻军近万人，于20日开始对晋中区进行第二期大"扫荡"，其目的是捕捉驻在麻田、左全及涉县、偏城一带的中共北方局、第十八集团军总部、一二九师师部和边区党政机关。集团军领导机关未预料到敌人经过第一次"扫荡"又如此迅速地进行第二次"扫荡"，故未能即时将主力转移到机动位置，捕捉战机打击进攻之敌。虽然三八五旅十四团21日在桥上、人家岩阻击由辽县进犯麻田之敌达一昼夜，25日又在关张山阻击由西井进犯黄烟洞之敌达三日之久，三八五旅和三八六旅在韩璧、左会、西林背等处予敌以有力的阻击，但终处于内线抗击，未能击破"扫荡"的敌人，至23、24两日，各路敌人均到达合击点。由于未能捕捉住中共领导机关，26、27两日开始敌军遂变更部署，进行分区"扫荡"。由武安犯偏城之敌向东收缩；由麻田犯索堡之敌转向北进，经偏城犯南艾铺、羊角、芹泉、拐儿地区；由襄垣、潞城进犯涉县之敌，向西收缩到黎城一带；由武乡、辽县合击桐峪、黄烟洞之敌，除以一部留置黄烟洞一带进行"清剿"外，主力亦向西转移，再次"扫荡"辽榆武地区。
为了粉碎日军的"扫荡"，十八集团军总部经过调整部署后，决定集中主力歼灭敌军的一路。26日，原由武乡进犯黄烟洞的岗崎大队五百余人，西犯左会和刘家咀，企图经蟠龙以东的关家垴一带山区西犯。29日夜，刘伯承、邓小平集中三八五旅、三八六旅、新十旅及决死一纵队等十二个多团的兵力，将该敌包围在关家垴高地，拟于次日四时发起总攻击。不料日军先我派出一个中队夺取了关家垴西南风垴顶制高点，造成了八路军进攻关家垴的不利形势。但集团军总部仍命令刘、邓按原计划发动对关家垴进攻，并分兵一部夺回风垴顶。由于敌人均在两地构筑了坚固工事，故战斗异常激烈，而且敌人有三四架飞机轰炸掩护死守，虽经八路军奋勇战斗，予守敌以很大杀伤，终未将敌人歼灭。风垴顶守敌亦异常顽强，一日之中，八路军发动了十次冲锋，也未能将风垴顶拿下。整个战局形成胶着状态。31日下午4时，敌人两千余人由黄烟洞赶来增援，守敌遗尸二百八十余具，仓皇随援敌逃脱。两敌合股后又经蟠龙一带向西北前进，会合由和顺南进之敌再次"扫荡"榆辽公路以南讲堂、宋家庄地区；同时襄垣之敌北犯西营，黎城、西井方面之敌分途西进，再次合击砖璧、东田地区。三八六旅在西营、蟠龙以东大柏村南北一线阻击进犯之敌，掩护驻砖壁的集团军领导机关。由于白天机关人员不便转移，三八六旅在11月3日与敌人激战了一天，阵地失而复得者再，至4日晨掩护集团军总部机关安全转移后，陈赓始率部撤离战斗。这次敌人对太行区的"扫荡"历时四十天，由于不断遭到八路军的打击，至11月13、14两日，始返回各据点。
筱塚义男指挥万人"扫荡"太行没得逞后，又发动对太岳区的报复"扫荡"。11月17日，抽调驻同蒲路南段的第四十一师团，白晋路南段的第三十六师团及驻太原的第九混成旅等部共计七千余人，以沁源县及其以北的郭道镇地区为目标进行合击。太岳军区接受太行的经验，在敌人出动前即将领导机关和主力部队分别组成沁西、沁东两个支队，转移到合击圈外的沁河两岸地区。23日，各路敌军进到合击目标扑空后，即分兵进行"清剿"。八路军沁西支队于23日在官滩地区予敌人以痛击，杀伤其百余人；27日又在胡汉坪、马背一带与敌人激战一日，杀伤日军一百六十余人。沁东支队先后在光凹、陈家沟、龙佛寺等地与敌人激战，仅龙佛寺战斗即杀伤敌人百余。此外，决死队孙定国的二一二旅亦在交口地区予"清剿"的敌军以重创。至12月上旬，日军遂分途撤回据点。结束了日华北方面军对晋东南八路军百团大战后两期报复"扫荡"。
晋察冀军区八路军为百团大战中进攻日军的另一支主力部队。十八集团军总部7月22日下达给晋察冀军区的任务为：负责破袭正太路石家庄至平定段，袭击重点为娘子关到井陉煤矿段及其两侧地区。另外为对管区平汉路、北宁路、石德路、沧石路等铁路、公路进行广泛的破击，以阻止敌人向正太路增援。
聂荣臻接到命令后，即抽调八个步兵团、一个骑兵团又两个骑兵营、三个炮兵连、一个工兵连和五个游击支队，编组成三个纵队：熊伯涛为左纵队长，杨成武为中央纵队长，郭天民为右纵队长，还编有一支钳制部队和一个总预备队，担负这次作战任务。
战役开始前几天，聂荣臻即带参谋人员到井陉附近小山村洪河漕设前线指挥所，对参战部队地境作如下区分：郭天民纵队破袭乱柳至娘子关段，奏效后向阳泉方面扩张战果；杨成武纵队指向娘子关至微水段及井陉煤矿；熊伯涛纵队攻击微水至石家庄段据点。2月20日晚10时，聂荣臻对参战部队下达了全线攻击命令。郭纵队五团首先解决娘子关下村庄驻守的伪军，然后爬上陡峭的山坡，冒敌人浓密的火网，向娘子关日军据守的堡垒仰攻，经三小时的反复冲击，终于攻上娘子关，守敌水原旅团的池田中队放弃小据点，退到一个大碉堡区内顽抗。正在郭纵队继续围歼残敌时，不料21日天刚亮适有退伍回国的日军官兵八百余人乘坐的火车到站，并有酒井装甲列车队同时到达，随即对八路军攻娘子关的部队进行反扑，郭纵队因敌人火力猛烈，主动撤离娘子关。
20日晚，杨成武指挥所部第三团向井陉新矿发起了攻击，由于战前同矿区工人取得联系，首先切断了矿区电源，借夜幕掩护，敌人火力难以施展，至黎明将守敌全部歼灭，对矿区设施和车站进行彻底破坏后，部队撤离矿区。八路军是一支讲究人道主义的部队，在硝烟弥漫中救出井陉车站日籍副站长的两个女儿，至今仍为中日人民友谊的纽带。
熊伯涛纵队在20日晚曾向靠近石家庄的岩峰、上安两个铁路据点发起了攻击，因敌军凭借坚固的工事顽抗，久攻未下，但亦牵制了敌军，使其不能派兵援助井陉矿区日军，协助杨纵队完成破坏矿区的任务。
聂荣臻指挥郭天民、杨成武、熊伯涛三个纵队配合刘伯承、邓小平指挥的一二九师和决死队正太线作战二十天，攻拔敌占据点十余处，破坏铁路六十余里，给井陉煤矿以严重破坏后，将战斗指挥所迁到唐县和家庄，一面休整部队一面召集幕僚研究下一步作战方案。经过几冬的大"扫荡"，日军逐渐蚕食了北岳区所有县城，其据点并伸延到根据地的腹心地区，分割了各分区的联系。为粉碎日军的囚笼政策，根据第十八集团军总部下达的：破击涞源、灵丘境内公路，夺取这两座县城任务，聂荣臻决定组织"涞灵战役"。这一战役分为两个阶段进行，第一阶段攻打涞源，第二阶段夺取灵丘。
9月22日晚，杨成武指挥一分区部队对涞源城发起进攻。经过一夜激战，一团攻占涞源城的东、西、南三面城关，但攻其他据点的部队遭到日军独立混成第二旅团第四大队的拼死反扑，未取得进展。杨成武召集各团负责人研究，认为犯了分散使用兵力的错误，决定只留一支部队监视城内敌人，先集中兵力扫除周围各据点，然后再攻打涞源城。