攻占娘子关后，5团的勇士乘胜破坏了娘子关东面的铁路桥，并收割了敌人的大批电线。与此同时，右纵队的第19团对移粮、巨城、乱流和上、下盘石等日军据点发起猛烈的攻击，歼灭了大量的敌人。
这一天，根据八路军总部的部署，129师担负对正太铁路西段的破击任务。
天一落黑，正太路全线突击部队在夜暗的掩护下，潜到了敌人的鼻子底下。
20时，总破击时间到了。刹那间，数颗红色信号弹划破了情况夜空，灿红的光焰把夜空布染得绚烂多彩。总攻令一出，各突击部队以迅雷不及掩耳之势朝正太路日军的车站和据点猛扑过去……
第129师左翼攻击芦家庄车站的是第16团5个连。芦家庄位于榆次以东约15公里的地方，是一个有50多户人家的村庄，村南有一条东西流向的小河，雨季时河水湍急。村东就是火车站，日军在周围修筑了4个碉堡，并没有外壕和铁丝网。在这里驻守的日军是原田大队的一个中队，共40余人，另有20余名伪军。总攻击发动后，第16团以两个连抢渡小河，迅速占领了芦家庄，攻占了车站以北的敌碉堡，并立即由西向东攻击车站；另3个连也攻占了车站以南一里处的两个碉堡，由东向西朝车站攻击。两支部队夹击着朝车站猛攻猛打，手榴弹如雨点一样飞过去。车站日军不敌，放弃车站向西逃窜，被攻击芦家庄的部队迎头一阵痛击；日军连忙回头东窜，又被向西攻来的3个连劈面一阵狠揍。日军前后失措，混乱中退至几间破平房中顽抗。攻击部队连忙对其实施火攻。在烟火翻滚中，日军仓皇退守火药库。攻击部队复用炮火轰击，仓库中弹起火，日军就像无头苍蝇乱飞乱撞，最后窜入学校一间独立的课堂中固守，但仅坚持了一个多小时，最终被全歼。
第16团在芦家沟激战时，左翼纵队第25团1营则在马首车站与敌激战。攻打两侧碉堡的第1、3连经一个多小时的激战，分别攻克了两翼的4个碉堡，但攻击车站的第2连却遇到猛烈的火力阻击，车站日军凭借坚固的房屋，用几挺机枪封锁了房屋前的开阔地，与第2连对峙到拂晓。这种情况下，第1、3连同时加入战斗，在强大的火力支援下，第2连一个战士抱着炸药包冲了上去，炸塌了房屋一角。趁这机会，3个连同时发动冲锋，攻克了这个堡垒，毙敌24名。日军残部朝寿阳方向逃去。
同样的，第38团也攻克了上湖车站，并俘虏了日军军站站长。
拂晓时分，左翼纵队基本肃清了破袭路段内敌据点和车站。至此，周希汉立即下令转入破路，除留部分兵力担负警戒外，其余的部队和游击队、地方武装、民兵、民工、当地群众、铁路员工等一齐向铁路开战。这便是一种奇观：成千上万人的炸桥梁、毁隧道、拆铁轨、烧枕木、平路基、砍电杆、收电线，忙得不亦乐乎。但拆下来的铁轨需抬到远处埋藏起来，颇令人烦恼。后来，不知谁发现把枕木架成井字型，把铁轨放在上面焚烧，既能烧掉枕木，又能烧坏铁轨。于是，这一经验广泛推广，正太路上便是火焰飞腾，远远望去，如一条飞舞的火龙……
8 破毁日军钢铁封锁线
在左、右翼破击队向正太铁路展开攻击时，总预备队进至平定以西的天华池、韦池村地区。为了防止日寇对破击队右侧背的攻击，根据师首长的指示，总预备队的第14团占领了阳泉西南正太铁路上的咽喉要地——狮垴山。
果然不出所料，日军遭到沉重打击后，立即组织反扑。驻阳泉的日军独立第4混成旅团长片山省太郎纠集其一切可能调动的力量，并武装了阳泉的日侨，自8月21日起，向第14团防守的狮垴山阵地发起猛烈的进攻。日军在大批飞机轮番轰炸扫射的支援下，连续向狮垴山进攻，并不断增强兵力，由开始的数百人增至1500余人。
守卫狮垴山的我14团的全体指战员发扬勇敢战斗的作风，凭险阻击，打退了日寇一次又一次的疯狂进攻，给敌人以重大杀伤，仅21日，就毙伤敌百余人。
翌日，日军数百人又向狮垴山东北高地猛攻，激战终日，仍无进展。眼见伤亡不断增加，而狮垴山阵地却久攻不下，片山旅团长恼羞成怒，于是以优势的空中和地面炮火对阵地狂轰滥炸，并大量施放毒剂，然而狮垴山阵地仍是岿然不动。
就这样，狮垴山争夺战持续了6昼夜，日军使出其全身解数猖狂进攻，不仅没有取得任何进展，反而伤亡400余人，使“赫赫皇军”威风扫地。
在14团的掩护下，各路破击部队经数日连续战斗，又陆续攻克了上湖、燕子沟、坡头、狼峪、张净等日军据点及车站多处；同时，还攻克了冶西、落摩寺等外围据点数处。到26日，日寇又纠集了数百人向狮垴山展开猛攻，我坚守狮垴山阵地的14团，在坚持7小时后，为避免同敌人决战，主动撤离了狮垴山阵地。
8月31日、9月1日，左翼破击队在高坪、道平、红凹、卷峪沟等地区，对由榆次、寿阳出犯的日军予以连续的打击，特别是卷峪沟进行的长达15小时的阻击战，打退了日军十余次的进攻，毙伤日军3000余人，粉碎了日军合击安丰、马坊的企图，争取了主动，掩护了八路军总部、129师直属队、右翼破击队的安全转移。9月6日，我386旅和决死第1纵队于榆社西北的双峰地区，将由太谷出犯的日军第36师团永野大队包围，经一昼夜激战，歼其400余人，敌大队长永野命归黄泉。
担负破击正太铁路任务的我晋察冀军区和129师的部队，经过连日激战，将正太铁路沿线日军的据点和车站一个又一个地拔除，基本控制了正太线。随后，参战部队、游击队、民兵和人民群众，在“不留一条铁轨，不留一根枕木，不留一座桥梁”的战斗口号下，冒着敌机的低空扫射，对铁路、公路及一切附属建筑物展开了大规模的破击。车站、水塔、桥梁、路基都被拆毁或炸掉。拆下的铁轨，来得及时就运到后方兵工厂作原料，或抬到数十里外埋掉，来不及就把铁轨放到枕木上烧坏。就这样，仅十几天的时间，蜿蜒200余公里的日军所谓的“钢铁封锁线”，就被我八路军、游击队、民兵和人民群众破毁2/3以上。
9 彭德怀提出“百团大战”
1940年8月20日晚22时整，各兵团统一发起攻击。天明时分，各部捷报不断传来：129师左冀破击队陈赓旅攻占寿阳西之芦家庄，连克碉堡4座，全歼守敌，完全占领寿阳西南的芦家庄车站，将车站西10里内的铁道、桥梁全部破坏。缴获轻机枪6挺、步枪60余支。115师杨成武部连克乏驴岭、北峪、北都等据点，歼守敌200多名，据点段内铁路、桥梁、碉堡、电线悉被破坏，万余民众参加了破击。中央纵队已完全占领有名的井陉煤矿，歼守敌上百人，矿井机器全部炸毁；右纵队郭天民部正猛攻天险娘子关；冀南军区徐绍恩团破坏平汉路邯郸至磁县段铁路5里。
贺龙指挥120师在阳曲、忻县、朔县、宁武段同蒲铁路，全线出击，到傍晚致电总部：张宗逊旅聚歼静乐东康家会守敌，毙敌200多人，俘日兵十余名，缴获甚多……
彭德怀在总部一直耐心地等待着，不断收到的捷报使他感到兴奋和欣慰。
从21日晚到22日，八路军总部工作人员更加忙碌，刘伯承、聂荣臻接连数次继续报告正太路各个出击兵团的破袭战况，贺龙、陈再道、吕正操和冀察热挺进军司令员肖克以及其他配合正太路破击战役的部队领导人，也都纷纷来电，报告他们的破击战果。
战况发展顺利，捷报频传，正太、同蒲、白晋、平汉、平绥、津浦、北宁各铁路及各公路干线，敌人的大动脉很快变得“千疮百孔”。
22日午饭后，彭德怀、左权在作战室听作战科长王政柱汇报战况。当彭德怀问到八路军实际参战兵力时，王政柱嗓音响亮地回答道：
“正太线30个团，平汉线卢沟桥到邯郸段15个团，同蒲线大同至洪洞段12个团，津浦线天津至德州4个团……参战兵力共计105个团。”
王政柱话音未落，左权参谋长抢先说：“好！这是百团大战，作战科要仔细把数字查对一下。”
彭德怀定性地说：“不管一百零几个团，这次战役，就叫做百团大战好了。”
当天下午给各兵团，并报中央军委的电报中，最先使用了“百团大战”这一名称：
“正太战役我使用兵力约百个团，于20日晚已开始战斗。序战胜利已经取得。这次战役定名为‘百团大战’，这是华北抗战以来积极主动大规模向敌进攻之前战役，应加紧扩大宣传。此间除有专电发重庆转蒋何陈徐、发西安转办公厅，并发延安外，每日还有战况及论文广播，希注意接收，以便统一扩大宣传。”
延安收电译文直送各领导人：毛泽东、王稼祥、朱德……
10 百团大战未按时结束
“百团大战”第一阶段宣布胜利结束、各参战部队转入休整的当天，中共中央发出了《中央关于时局趋向的指示》和《中央关于“击敌和友”的军事行动总方针的指示》两个重要文件，要求八路军“应扩大百团大战战役行动”，并且提出扩大的方向和任务是“到那些尚未遭受打击的敌人方面去用以缩小占领区，扩大根据地，打破封锁线，提高战斗力”。彭德怀、左权根据中央指示精神，着手制订第二阶段的破袭计划。
还在对正太路破击正酣的时候，彭德怀、左权等就按照毛泽东来电提出的“像这样的战斗是否还可组织一两次”的希望，开始考虑“在正太不能继续坚持作战或已彻底完成正太战役任务之情况下，我之行动方针”问题，曾提出：“乘胜开展正太路两侧之战斗，去收复敌深入各该根据地内之某些据点”的设想。
中央9月10日发出新的指示后，彭德怀、左权进一步分析敌情我情，经过一连数日的运筹谋划，于9月16日发出了以朱、彭、左署名的百团大战第二阶段作战命令。命令指出：第二阶段的作战基本方针是：继续破坏敌寇交通，克复深入我基本根据地内之某些据点，作战于9月20日开始，具体部署是：
——120师以截断同蒲路北段交通为目的，集结主力破击宁武、轩岗段同蒲路而彻底毁灭之。——晋察冀军区以开展边区西北方面工作为目的，应集结主力破坏涞源、灵丘之公路并夺取该城（主要是涞源），并以有力部队在同蒲路东侧积极配合120师之作战。
——129师以收复榆社、辽县为目的，开展榆辽地区斗争，并以一部分兵力不断破击白晋路北段。
——晋察冀与129师原留正太路沿线行动之部队不变，并积极阻挠敌我之修复铁路。
命令还就冀中、冀南、挺进军等部队的作战部署提出了具体要求。
第二阶段作战，八路军各部主要进行了涞灵战役、榆辽战役、同蒲路宁武南北段破袭战役、任（丘）河（间）大（城）肃（宁）战役，破袭德石路、邯济路战役等。
第二阶段作战结束时，彭德怀、左权、罗瑞卿、陆定一等八路军总部和野战政治部领导人，曾计划再组织一次大规模的进攻，以便继续扩张胜利，巩固华北抗日根据地，进一步吸引敌人，争取全国时局的好转。他们在10月2日的电报中向各兵团提出了这一任务，并要求各兵团做好相应的准备。
可是，八路军总部的具体部署还没有做出，新的大规模进攻的命令还没有下达，敌情却发生了重大变化。10月6日，遭受沉重打击的日本华北方面军，在修复好被八路军突袭的铁路后，穷凶极恶地开始了“报复”，集中兵力向华北山地和平原抗日根据地进行多路残酷的报复性“扫荡”，疯狂地向各战略区反扑，对根据地实行“三光”政策，见人即杀，见屋就烧，见粮就抢。
日军的残酷报复使八路军“百团大战”在第一、二阶段之后再组织一次大规模进攻的计划已无法实现，彭德怀等八路军总部领导人遂果断放弃10月2日提出的“于近期内在一个命令下再作大规模的进攻”的设想，彭德怀遂命令部队停止休整，转入第三阶段的反扫荡作战。
10月19日，彭德怀、左权发出《百团大战后反“扫荡”计划》，就“百团大战”结束后日军“扫荡”的动向和各兵团反“扫荡”的作战任务，作了明确指示。
“百团大战”虽然于10月10日随着第二阶段的结束而结束，但八路军总部、野战军政治部当时发布的文告、指令、战报、战绩以及延安和各抗日根据地报纸、广播的宣传报道，并没有公开宣布“百团大战”结束，反而把10月11日开始的连续55天的反“扫荡”作战又列为“百团大战”的第三阶段。这是为什么呢？
这实际上是策略上的需要。
“百团大战”进行期间，日军大本营陆军部建议内阁制定所谓“大东亚共荣圈”的施策纲领，积极研究南进作战计划，并派兵占领了法属印支北部。9月27日，日本正式与德国、意大利结成法西斯军事同盟。英、美企图利用中国抗战来遏制日本南进，遂将它们牺牲中国利益的“东方慕尼黑”政策转变为积极支持中国抗战，而德、意为了利用日本在亚洲钳制英、美，则极力促日本南进，并极力劝蒋介石对日妥协和加入德意日军事同盟。蒋介石在日本诱降、德国劝降和英、美开始积极支持中国抗战的新的错综复杂的国际形势下，虽然一时下不了投降的决心，但在国内亲日派阴谋家和内战挑拨者的包围压迫下，也根本不打算政变消极抗战、积极反共的路线，正暗中策划新的反共高潮，企图借日军南进，调集重兵“扫荡”八路军、新四军以巩固其占领区之机，与日军配合，消灭共产党及其领导的人民抗日武装和抗日根据地。
针对国民党蒋介石集团对日妥协、消极抗日，积极准备发动新的反共高潮的阴谋，中共中央提出了“稳健地对付国民党的进攻，军事上采取防卫立场”“政治上强调团结抗日”的对策，全党中心的任务是反投降与反内战。一方面，动员党内外一切积极分子，运用一切可能的方法，向政府当局、向国民党、向军队、向各党各派各界，诚恳地说明：剿共就会亡党亡国，投降必使全国人民陷入牛马奴隶的境地，争取蒋介石；另一方面，要求八路军、新四军的一切抗日根据地，必须坚持长期的独立自主与自力更生的抗日战争。同时必须准备应付任何严重的反共战争，必须充分地准备着去粉碎日本与亲日派联合夹击的阴谋。
正是由于这种全局斗争的需要，已在全国民众中造成巨大声威，使国民党顽固派、亲日派不寒而栗的“百团大战”，没有按实际结束的时间宣布结束。直到这年的12月22日，毛泽东、朱德、王稼祥还从延安给彭德怀发来这样的电报：
“百团大战对外不要宣布结束，蒋介石正发动反共高潮，我们当尚须利用百团大战的声势去反对他。”
这再次说明，中共中央和毛泽东等中央领导人对“百团大战”的肯定，同时也回答了“百团大战”为什么没有按实际结束时间宣布结束的原因。
11 彭德怀向刘伯承发火
第三阶段作战，八路军与日军进入“扫荡”与“反扫荡”状态。
10月下旬，日军独立混成第4旅团，也就是在八路军破袭战中遭打击最惨重的旅团，派岗崎大队600人进犯八路军总部的水腰兵工厂，进行“扫荡”。
