晋察冀军区批准军分区改变部署方针后，23日晚，杨成武即指挥一团、二团各一部攻击涞源城东敌人据点三甲村，守敌八十余人据守坚固工事顽强抵抗，杨以炮兵轰击掩护，经数小时激战，步兵冲进碉堡，全歼守敌。同时，邱蔚指挥第三团攻击东团堡据点。这里守敌为日军士官生组成的井田部队，抵抗十分顽强，激战至24日夜，始将村周围碉堡攻下。残敌退入村中凭借房屋顽抗，继续施放毒气，我军指战员多人中毒，伤亡很大，25日黎明，部队撤到村边整顿。下午，邱蔚再度指挥所部发起猛攻，同敌人展开白刃格斗。经反复冲杀，残敌拒不投降，将据点内所存武器、物资、粮食全部纵火焚烧，然后跳火自尽。日军独立混成第二旅团长人见于一作战指挥所设在蔚县，屡次接到守备涞源的第四大队长的求援急电，因其旅团两个步兵大队连同炮兵、汽车两个中队去安北、包头、固阳地区防御傅作义部进攻，尚在返防途中，人见手中只掌握一个第三大队，害怕遭遇其前任阿部规秀孤军冒险深入被击毙的噩运，故看着自己的部下被歼不敢赴援。涞源城垣坚固，久攻未下，杨成武正重新调整部署继续攻城，由包头回援的日军两个大队返回蔚县，人见遂集结三个步兵大队和一个炮兵中队的兵力驰援涞源。杨成武以日援军已到，涞源城难以拔除，报请军区批准，于28日解围而去。
10月2日，聂荣臻又组织四个团、一个支队另两个营的兵力，由邓华指挥发动灵丘战役。灵丘、浑源、广灵地区，由日军伪蒙疆驻屯军黑田重德第二十六师团坂本吉太郎步兵第十二联队两个大队警备，并新建一条公路衔接。邓华指挥各部对枪风岭、南坡头等据点日军予以攻击。以上据点日军被消灭后，坂本联队长会同大同增援来的黑田师团主力向我反扑，同时边区周围敌军调动频繁，有向边区大举"扫荡"之势，聂荣臻遂电邓华结束战争。
吕正操、程子华领导的冀中军区部队，除在百团大战第一阶段，为阻止日军增援正太路，动员十万民工配合部队对平汉、北宁、津浦、德石等铁路和境内外的公路进行广泛、反复的破击，袭击敌伪据点外，百团大战第二阶段，为策应北岳区进行涞源、灵丘战役，又发动了任丘、河间、大城、肃宁地区战役。1940年春季敌人进行"扫荡"后，据点增加到四十四个，严重影响抗日政权活动。为摧毁敌人深入我中心区的点线，吕正操、程子华决定抽调第十八、二十三、三十团等进入这个地区。为转移敌人的注意力，战役发动前曾命令第六、七、十分区的部队向津浦、沧石、北宁等铁路线进行破击，并袭占泊镇、文庙、张庄、子牙、王口等敌占据点。10月1日，吕、程指挥三个主力团开始行动。二十三团秘密伸入河间以南李虎村，正遇高家林据点百余敌人出动抢粮，遭到八路军的伏击，被歼九十名。三十团向大城以南、子牙河以东进击，袭占李民居据点，破坏沧石铁路数里。5日又攻克刘庄、藏庄子、石疙瘩三据点，歼敌八十余名。十八团活跃于潴龙河东，破坏任丘通高阳公路十多里，攻克任丘西东固贤和肃宁良村据点。10月15日至20日，继续在任、河、大、肃地区扩大战果，各地游击队和民兵配合主力积极破路、挖沟、炸桥，袭占敌人据点。总计在整个战役阶段，歼灭日军一千五百余名，破坏公路三百余华里，攻拔敌占据点二十九个。敌军春季大"扫荡"在这个地区建立的伪组织，基本上被摧毁，我抗日村政权和群众组织迅速得到恢复，从而粉碎了日军在冀中抗日根据地中心区建立统治的野心。
日华北方面军为报复八路军的百团大战，在"扫荡"晋东南一二九师告一段落后，即调动驻伪蒙疆的黑田重德第二十六师团，平汉线北段之饭沼守第一一○师团及长谷川美代次独立混成第十五旅团各一部约计一万二千余人，对北岳区进行报复"扫荡"。聂荣臻为粉碎敌人"扫荡"，对所部作如下部署：留一部分兵力同敌人保持接触；主力适时地转移，寻找机会在敌人各个公路据点之间展开破击；各地的游击队、民兵则在主力部队支持下活跃于外线和内线困扰敌人。同时命令冀中军区从侧翼袭扰敌人，以配合平西、北岳地区的反"扫荡"作战。
9月9日开始，日军分别从拒马河上游和平汉铁路沿线出动，以晋察冀军区司令部和中共晋察冀分局所在地阜平为目标，分路平行推进，对根据地进行毁灭性的"扫荡"。敌军残暴至极，碰人便杀，见屋就烧，仅易县六个区就被烧毁房屋两千二百多间。为粉碎敌人"扫荡"，地方党政干部和群众共患难，敌人来了，就掩护群众上山，敌人一走，就立即回村抢救被毁财物。主力部队和游击队散布在各地捕捉战机，到处予分散的小股日军以袭击，使深入根据地的日军日夜不得安宁。
同时吕正操、程子华指挥的部队除在冀中内地积极活动攻袭敌人据点外，复于12月7日起，将作战重点转向山地与平原结合部平汉铁路沿线，以第二十七团、三十二团分别在松林店、徐水间炸毁敌人运输物资的火车三列，攻克据点多处。第十七、十八两团则越过平汉铁路，掩护满城、易县、完县、定县等地群众破坏公路，打击附近据点的小股敌人。19日，十七团侦悉敌人军车一列，满载大宗武器装备，从保定开往石家庄，遂选择定县以南宣村、黄宫城间设伏。晚8时，敌军车进入我军设伏圈内，地雷爆炸，车辆出轨，接着八路军发起攻击，仅用30分钟即结束战斗，三百多敌人除震死炸伤者外，其余未及展开，即全被歼灭。此次战斗，敌人损失极重，计被炸毁山炮九门、野炮八门、汽车四十辆、坦克一辆、零件七箱。八路军缴获山炮两门、长短枪百余支，及其他大批军用物资。为此次胜利，冀中部队还受到十八集团军总部和晋察冀军区来电嘉奖。
虽然此次日华北方面军对北岳地区的大"扫荡"，受到晋察冀军区所属部队的反击，遭受很大损失，未能达到歼灭八路军主力的目的，但根据地人民的生命财产损失还是很重的。11月2日，"扫荡"结束，黑田德重、饭沼守两师团部队返回铁路线，仍留下进入边区的各独立混成旅团继续进行分区"清剿"，并留下长谷川第十五旅团一部在平西东斋堂建立永久据点，作为打入北岳中心区的楔子。从此，晋察冀军民对日伪的斗争进入极艰苦阶段。
百团大战中的晋西北部队是助攻部队，并非主力。当时十八集团军前方总部分配给贺龙一二○师的任务，是集中主力破坏榆次到平遥段同蒲路，以配合晋冀鲁豫和晋察冀两大军区主攻部队向正太路发动进攻。
贺龙一二○师和新军决死二、四纵队建立的晋西北抗日根据地，地瘠民贫，人口稀少，又经日军夏季"扫荡"后，元气未恢复，物资供应和兵员补充十分困难，不仅无攻坚器材，普通武器弹药亦感不足，不适宜进行大规模的战斗。特别是远离根据地，穿越太汾公路日军封锁线，渡过汾河，到敌人占领的榆次、平遥之间广大平原地区背水作战，更是十分危险。为此，一二○师军政委员会根据本地区和部队的具体情况，并报请十八集团军前方总部批准，拟定了破击同蒲铁路朔县至宁武段和晋西北境内敌人的公路交通线，攻占敌人的据点，以策应晋察冀和晋冀鲁豫八路军向正太铁路破击作战的计划。
8月20日晨，在晋冀鲁豫和晋察冀部队向正太路发起猛攻的同时，张宗逊三五八旅迅速逼近静乐，收复康家会，歼守敌和援军五十余名，切断了忻静公路，乘胜围攻丰润。该旅的第三支队则在忻县以北破坏同蒲铁路。彭绍辉独二旅以长途奔袭战术一举收复雁北军事要地阳方口，全歼守敌，破击朔县至宁武段同蒲铁路。续范亭暂一师一度攻入五寨县城。韩钧、雷任民的决二、决四两纵队活动于汾阳至离石公路线上，掩护群众破路，一度攻入汾阳以西的王家池据点。驻绥德警备区的王震三五九旅七一七团一部也渡过黄河参战，连续击退柳林据点出扰之敌。高士一独一旅夺取了石门墕，两次袭击寨子据点，围困岚县城，破击铁路交通线，迫使敌人龟缩于据点内。侯俊岩工卫旅和师部特务团积极活动于太原以北地区，破坏高村至平社间铁路线。清源、徐沟、太原地方县大队等，也积极出动袭扰敌人。晋西北部队的这些行动使深入晋西北各地之敌无力出兵东援，有力地配合了晋冀鲁豫和晋察冀部队对正太路的作战。
十八集团军前方总司令部给晋西北部队百团大战第二阶段的作战任务，是大举破击朔县至原平镇间同蒲铁路，以打通晋西北与晋察冀的联系。为了完成破击同蒲北段的任务，一二○师三五八旅于9月14日从娄烦地区，同日，独一旅从岚县河口地区分别出发，在静乐以北先后渡过汾河。三五八旅为保障东进部队的后方交通线，18日曾进攻宁化堡、大寨镇之间的头马营，遭日军顽强抵抗未克，遂留少量部队监视头马之敌，主力继续东进。同日，独一旅进至谢家坪、曹家庄地区，获悉忻县等据点四百余敌军合击雁北支队扑空后，退据卫庄休息。该旅决定消灭该敌，以保障后方安全。当日下午1时对该敌包围攻击，杀伤日军近二百，战至深夜，12时仍不能解决该敌，除留少数部队监视敌人外，主力继续向同蒲路挺进。至22日，各部均接近铁路线，当即乘夜袭击奇村、石家庄、楼板寨、忻口等敌占据点，使敌人不敢出动。22日起，三五八旅和师部特务团在轩岗、段家岭之间；独一旅在忻口、轩岗之间；独二旅在宁武、朔县之间，分别对同蒲铁路展开了破击战，截至9月27日止，一二○师三个主力旅在日军碉堡林立的敌占纵深地区，克服无数困难，连续作战，达到了控制同蒲路北段八十余华里，打通晋西北与晋察冀两区间联系之战略目的。
百团大战，战绩辉煌。根据十八集团军总部公布的战果：交战一千八百四十二次，日军伤亡两千六百四十五名，伪军伤亡五千一百一十五名，俘日军二百八十一名，伪军一万八千四百名，攻克据点两千九百九十三处，缴步枪五千四百余支，轻重机枪两百挺及其他大量武器、弹药等，破坏铁路九百四十八华里，公路三千余华里，桥梁、车站、隧道等两百余处。日军方面未公布这一战役所受损失，但据日本政府防卫厅防卫研究所战史室编著的《华北治安战》一书记载：日军华北方面军总部公布的1940年度该军伤亡数字为战死五千四百五十六名，负伤一万两千三百八十六名，当年日军在华北未对国民党军发动重大战役，可以说基本上是与中共军队作战伤亡的。百团大战后，日军东京大本营将华北方面军司令官多田骏免职，翌年7月，委日军著名刽子手冈村宁次接任司令官。冈村上任后经过短期策划，即对华北各抗日根据地发动了更毒辣的"铁壁合围"、"梳篦清剿"等"扫荡"作战，使我敌后抗日根据地人口由一亿下降到五千万，部队由四十万减少到二十万人，华北军民进入抗日战争极艰苦阶段。虽然抗日人民和八路军遭受重大损失，但百团大战在政治上意义还是巨大的：它制止了亲日派的策动和谈活动，揭穿了顽固派散布的八路军只打"友军"（指华北反摩擦作战）不打日军的谣言，争取广大的中间派人士更靠近共产党。
百团大战沉重地打击了日本军国主义者嚣张气焰。日本法西斯分子办的报刊普遍惊呼："中共势力扩大到这种程度，日本方面是没有想到的。""对华北应有再认识。"日华北方面军作战记录记载说："此次袭击，完全出乎我军意料之外，损失甚大，需要长时期和巨款方能恢复。"日军蒙疆驻屯军司令官冈部直三郎9月24日在其笔记中写道："对蒙疆地区进行如此规模并且有组织的攻势，还是第一次，今后必须加强戒备。"为了加强在华北的统治，除冈村宁次任华北方面军司令官外，并由华中正面战场调来第十七、第三十三两个丙种师团的兵力，以加强对八路军作战的兵力。
这一战役，破坏了日军进攻西安、重庆的计划，凡属炎黄子孙莫不额手相庆：延安和抗日根据地，重庆和大后方报刊均广为报导，著文颂扬。中共中央9月10日，在"关于时局趋向的指示"中说："我党五十万大军积极行动于敌后（指此次百团大战），则给了日寇以深重的打击，给了全国人民以无穷的希望。"①同日中共中央军委以朱德总司令的名义向全军发布"关于行动的指示"，号召华东八路军、新四军仿照华北百团战役先例，在山东和华中也组织一次、几次有计划的大规模的对敌进攻行动。国民政府军事委员会委员长蒋介石，和第一战区司令官卫立煌等国民党军统帅及高级将领也纷纷致电朱德、彭德怀予以嘉奖和祝贺。蒋介石电文为："朱副长官、彭副总司令：迭电均悉。贵部窥此良机，断然出击，予敌甚大打击，特电嘉奖。除电饬其他各战区积极出击，以策应贵部作战外，仍希速饬所部，积极行动，勿予敌喘息之机会，彻底断其交通为要。"①中日战争为中华民族争生存的一场战争，当民族存亡系于千钧一发之际，凡属中华儿女对日寇莫不敌忾同仇，抗日战争爆发后国共两党化除历史隔阂，携手对外敌作战，以免儿孙后代永作亡国奴。百团大战充分展现了中国人民抵抗外国侵略者的坚强决心，其历史功绩将被中华儿女永远铭记在心。
二百团大战中日战斗序列现将百团大战中八路军和日军华北方面军双方战斗序列列下：
（一）中国军队方
国民革命军第十八集团军副总司令彭德怀副参谋长左权前方总政治部主任罗瑞卿副主任陆定一国民革命军第一二九师长刘伯承政治委员邓小平。
参谋长李达政治部主任蔡树藩第三八五旅旅长陈锡联政治委员谢富治新编第一旅旅长韦杰政治委员唐天际新编第四旅旅长徐深吉政治委员吴富善新编第十旅旅长范子侠政治委员赖际发决死第三纵队长戎子和政治委员董天知太岳军区兼第三八六旅旅长陈赓政治委员王新亭决死第一纵队纵队长兼政委薄一波。
第二一二旅旅长孙定国政治委员马瑛第二一三旅旅长郝玉玺政治委员程国梁另外辖一、二、三军分区。
太行军区司令员刘伯承政治委员邓小平副司令员王树声。
新编第十一旅旅长尹先炳政治委员黄振堂另外辖一、二、三、四、五、六军分区。
冀南军区司令员陈再道政治委员宋任穷副司令员王宏坤参谋长范朝利政治部主任刘志坚新编第七旅旅长易良品政治委员文建武新编第八旅旅长张维翰政治委员萧永智新编第九旅旅长桂干生政治委员韩际芳另外辖一、二、三、四、五、六军分区 第十八集团军晋察冀军区司令员聂荣臻参谋长聂鹤亭政治部主任舒同。
冀西军区司令员聂荣臻（兼）第一支队司令员杨成武。