数天后，彭德怀、左权等将领来到关家垴高地，仔细察看日军的临时工事，火力配置和简易的暗堡掩体。刘伯承率领第129师部女干部来到关家垴阵地，就地总结攻坚作战的经验。刘伯承仔细察看了日军在台地四周挖的猫耳洞，认为猫耳洞是躲避枪弹、保存士兵的一种好办法。刘伯承指着一个猫耳洞，招呼大家说：“你们都仔细看看，别小看这小小的招势，凭我们现有的武器还真难对付。这个办法，我们也可以学习嘛！”
当时担任八路军总部特务团团长的欧致富在几十年后回忆这场战斗时说：“彭老总坚持要打关家垴战斗，还有一个意图：八路军是坚持敌后抗战的主力军、正规军，不但要会打游击，必要时，也得猛攻坚守，顽强拼杀，敢于啃硬骨头。”
决死第1纵队政治委员薄一波回忆说：“彭老总向我调决死队2个团参加战斗，我是很积极的，战斗中损失固然大，但这两个团也打出来了，成为决死队战斗力最强的两个主力团”。
日军遭到沉重打击以后，余部于11月14日撤退。
11月17日，日军第37师团一部兵力，第41师团一个大队，共7000多人，分别从沁县、南关镇和洪洞出发，分两路合击太岳地区沁源和郭道镇等地，进行疯狂的“扫荡”。当时，第129师所属第386旅第16、第772团，决死第1纵队所属第25团等部队，正在太行地区执行任务，因此太岳地区的力量比较弱。为了避开日军锋芒，抗击日军的“扫荡”，太岳军区首长把部队编成沁源东、沁源西两个支队，在游击队和民兵的配合下，寻机打击日军。
11月23日，两路日军进入合击地区，进行野蛮的烧、杀、抢，沁源县遭到严重摧残。全县有1/10的群众被害，被害人数达5000多人，被杀牲畜上万头，有近4万间房屋被烧毁。日军的暴行激起了抗日军民的极大愤慨。太岳军区的指战员看到日军分头“清剿”，兵力分散，千方百计抓住战机，各个歼灭日军。沁西支队第42团官兵在官滩歼灭日军100多人，第42、第59团的指战员在胡汉坪、马背一带歼灭日军160多人。至27日，抗日军民歼灭日军近300人。
12月5日，遭到不断打击的日军被迫从太岳区撤退。
北岳根据地，晋察冀军区迫退深入阜平之敌。
10月13日，1万多日伪军分成10路，对北平以西的抗日根据地进行“扫荡”。当时，北平是日军华北方面军司令部驻地，也是华北伪政权驻地，日军认为，平西根据地抗日力量的发展，威胁到华北方面军司令部驻地，也威胁到平汉、平绥交通线。因此，日军把平西根据地作为“扫荡”晋察冀抗日根据地的第1个目标。
八路军首长认为，向平西、太行根据地进攻的日伪军，很可能转而进攻北岳地区，晋察冀边区的军民应立即做好反“扫荡”准备。
为此，八路军总部于10月19日发出指示，要求晋察冀军区进行深入的战斗动员，主力部队在有利位置集结，随时准备歼灭“扫荡”的1路或2路日军。为配合晋察冀军区作战，八路军总部要求，第129师应不少于3个团的兵力破袭正太路，第120师应以4个团的兵力破击雁门关南北的同蒲铁路。八路军总部发出的这一预先号令，及时洞察了日军的行动企图，把握了日军的脉搏，为北岳军民赢得了20天进行反“扫荡”准备的时间。
11月9日，日军第110师团等部队与伪军共1.4万余多人，对北岳根据地进行“扫荡”。
11月10日，晋察冀军区司令员聂荣臻等人下达反“扫荡”指示，要求部队避免与日军决战，采取广泛的游击战，最大限度地消耗与疲惫日军，使“扫荡”的日军行不得其时，住不得其所，食不得其饱。主力兵团要在便于机动的地域集结，随时抓住战机，歼灭日军1路或2路，以转换战局。12日，晋察冀军区再次发出指示，要求主力部队在不妨碍机动的原则下，可以组织不超过1/3的兵力，坚决打击日军的烧、杀、抢行为。
11月13日，完县、唐县、定县、正定、行唐的日伪军2700多人，一齐出动，向晋察冀军区第3军分区所属地区进犯，“扫荡”第1军分区的日军主力也向第3军分区袭来。14日，定襄、五台的日伪军2600多人，分两路向阜平及其西南地区进犯。这次“扫荡”，日军多路分进，多点合击，一面进攻，一面修路，一面构筑据点，给根据地军民造成严重威胁。
从完县、唐县出动的数百名日伪军渡过曹河，袭击此地的村后，向西进犯，到迷城进行野蛮的烧、杀、抢、掠。
11月16日，日军袭击台峪、张家峪地区，这一地区的抗日武装与日军展开了艰苦的斗争。18日，合击台峪的日军占领了晋察冀军区领导机关所在地阜平。21日，从五台出发的一路日军也进入阜平城。
12月3日，晋察冀军区集中4个团的兵力，向占据阜平、王快的日军发动进攻，歼灭日军500多人。留驻根据地的1000多日伪军继续修公路，建据点，企图盘踞在根据地。根据地军民内线和外线配合，采用广泛的游击战，不断伏击和袭击日军后方的交通线，炸毁日军的列车和汽车，拔除一些敌占据点，使日军连续挨打，处于被动地位，不得不从阜平、东庄、王快撤退。
晋察冀军区在持续50多天的反“扫荡”中，先后毙伤日伪军2000多人。12月底，日军被迫全部撤出北岳抗日根据地。
晋西北地区，驻有日军独立步兵第36、第37、第38、第39、第40大队，炮兵1个大队，工兵、辎重兵各1个中队，共约5000多人。从10月下旬开始，日军独立混成第3、第16旅团各一部，共4000多人，对晋西北第8分区和第3分区所在地区进行“扫荡”。
10月27日，日军从驻太谷、祁县的2个步兵大队中抽调800多人，对晋西北地区的文水、交城地区进行“扫荡”；从驻太原、忻县的2个大队中抽调600多人，对第3军分区所属楼烦、米峪镇地域进行“扫荡”。由于抗日军民早已做好了反“扫荡”的准备，日军进入预定地区以后，遭到当地军民的不断打击，一无所获，旋即退回。
12月中旬，日军集中了驻晋西北的独立混成第3、第9、第16旅团和第26师团各一部，驻晋南的第37师团、驻晋东南的第41师团各一部，共约2万多人，对晋西北抗日根据地进行全面“扫荡”。12月14日，从太汾、汾离公路沿线各据点出动的5000多名日军，对第8分区和第3分区米峪镇地区进行“扫荡”；与此同时，从离石、柳林出动的4000名日军，向临县进犯。19日，从岚县和岢岚出动的6000多名日军，对兴县和保德以南地区进行“扫荡”。
至23日，分头“扫荡”的各路日军一度占领了晋西北除保德、河曲以外所有的县城和大部分集镇，黄河渡口。日军所到之处，许多村庄被烧光，许多家庭被杀绝。晋西北全区，有5000多群众遭到日军惨杀。在兴县，日军把200多名男女老幼关进一间房内，将他们活活烧死，这种残暴手段极为罕见。
面对严峻的形势和日军的暴行，八路军第120师和晋西北地区的人民群众密切配合，实行空室清野，坚持“区不离区，县不离县”的游击战，同时集中一部主力，寻机歼灭小股日军。
第120师不时地集中部分主力部队转移到外线作战，破袭日军的交通线，袭击日军的据点，攻击日军的修路部队和运输队，使日军整日不得安宁。从12月14日至27日，抗日军民利用各种形式连续作战100多次，迫使日军由开始时的疯狂“清剿”转为建点、修路。27日，晋西北军区命令第358旅、独立第1旅、决死第4纵队相机出击，破袭日军的交通，使日军遭到重大打击。第715团一部与临县游击队配合，袭入临县县城，打击日伪军。
在艰苦的反“扫荡”中，晋西北军民先后作战217次，歼灭日伪军2500人，破坏公路125公里，破坏桥梁23座。在八路军的连续不断打击下，日军无可奈何，被迫于1941年1月下旬全部撤出晋西北抗日根据地。
大战不宣告结束
震惊中外的百团大战历时3个半月，对抗日战争产生了重大影响，在战争史上留下了辉煌的一页。
百团大战，八路军在地方武装和广大人民群众的积极配合下，严重破袭了日本侵略军在华北的主要交通线，其中破坏铁路474公里，公路1500多公里、桥梁和隧道260多处，正太铁路停运达1个多月之久，同蒲铁路北段两次被切断，平汉、津浦、北宁等铁路也遭到不同程度的破坏，拔除了日本侵略军的据点，歼灭了大量日伪军，充分表现出了华北军民齐心协力，不屈不挠，同日本侵略者浴血奋战的精神。
当希特勒法西斯的闪电战在欧洲战场上连连得逞，反动气焰极为嚣张时，中国抗日战争的敌后战场，却出现了八路军百团官兵大战日本侵略者的奇迹，使日本侵略军遭到重大损失。百团大战中，我军毙伤日军2万余人，自己伤亡1.8万余人，敌我伤亡为1.1∶1。在参战兵力大体相当的情况下，劣势装备的八路军进攻优势装备的日伪军而取得如此战绩，这在战争史上是罕见的。
这组数据也反映了八路军在战争中发展壮大的历史里程。
百团大战，震慑了日本侵略军，推迟了日军南进的步伐，敌后战场牵制了大量侵华日军。百团大战之后，在各地人民钦佩和慰问八路军的欢呼声中，法西斯罪魁东条英机却在日本贵族院和众议院哀叹：“昭和15年度，敌人迄未进行主力的反攻，只有共产军于去年在华北举行大规模的出击。”
百团大战，震慑了国民党顽固派。百团大战是在抗日战争处于困难时期取得的重大胜利。1940年秋，八路军在华北抗日根据地同日本侵略军浴血奋战的艰难时刻，国民党顽固派却从1940年10月起发动了第2次反共高潮，制造了震惊中外的“皖南事变”。
毛泽东、朱德、王稼祥全局运筹，于1940年12月22日联名致电彭德怀，提出“百团大战对外不要宣告结束，蒋介石正发动反共新高潮，我们当尚需利用百团大战的声势去反对他”。从这份电报中可以看出，毛泽东把百团大战看作是反对国民党顽固派的一种巨大“声势”，这种在战场上生死搏斗造成的“声势”，是其他力量无法比拟的，是反动势力最害怕的。
蒋介石表面上对八路军的胜利表示欢迎，在9月中旬发出嘉勉电中，称：“朱副长官、彭副总司令：送电均悉，贵部窥破好机，断然出击，予敌甚大打击，特电嘉勉。除电饬其他各战区积极出击，以策应贵军作战外，仍希速饬所部，积极行动，勿予敌喘息机会，彻底断绝其交通为要！”可是，蒋介石暗地里却于1940年10月20日发出密电，称：“近来报上常有记载‘百团大战’字样，如19日新华日报所载晋西通讯即载此事，此项名词及有关之新闻以后应绝对禁止登载，希即饬遵。”
可见，蒋介石对百团大战已经到恐惧的程度。百团大战，鼓舞了抗日军民的士气。八路军在抗日根据地打击日军的胜利消息传开以后，抗日军民欢欣鼓舞。抗日救亡组织和群众团体纷纷举行祝捷会和庆功会，一些报社、电台相继发表社论，祝贺八路军取得的胜利。这一胜利，增强了抗日军民战胜困难的信心，表明了中国共产党及其领导的军队，是抗日的中流砥柱。
百团大战，在国际上也引起了震动。苏联《红星报》发表评论，指出：“华北之中国军队，目前正在山西省进行主动性之作战。第八路军正展开大规模之攻势。游击战在山东省与北平附近亦正趋于激化，中国人……始终表现高度之民气，对自身力量具有信念。中国人民为自由独立，争取最后胜利而战，依然表现最大之决心而不能动摇。”
美国着名记者史沫特莱写出了很有文采的报道，其中说：“整个华北地区，从晋北山区到东海岸，从南面的黄河到北面的长城，都成了战场，战斗夜以继日，一连厮杀了5个月。100团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，不仅取得了军事上的重大胜利，也取得了政治上的重大胜利。
