1940年的夏秋，中国全面抗战进入第四个年头，八路军的迅猛发展，敌后抗日根据地的不断巩固和扩大，抗日游击战的积极展开，沉重打击了侵华日军。于是，日本在加紧对国民党政府进行政治诱降活动的同时，把进攻的矛头重点指向八路军，在华北地区实行以“铁路为柱、公路为链、碉堡为锁”的“囚笼政策”，加紧推行“肃正建设计划”，企图分割、封锁、摧毁华北各抗日根据地，巩固其占领区。
为粉碎华北日军的全面进攻，打破其“囚笼政策”，争取华北抗日战局更有利的发展，遏制国民党妥协投降的倾向，并影响全国抗战局势的好转，八路军总司令朱德和副总司令彭德怀，决定集中八路军第120师、第129师和晋察冀军区部队，以破坏华北敌占交通线和据点为重点发起大规模进攻战役。战役发起后，我军参战兵力迅速增至105个团，因此，彭德怀在上报中央军委的电报中最先使用了“百团大战”名称，故又称“百团大战”。
打破“囚笼”：为粉碎日军的全面进攻，争取华北战局的有利发展，八路军总部发出百团大战的命令……
8月8日，八路军总部正式下达《战役行动命令》，具体规定了各部队的作战任务。
按照八路军总部的作战部署，百团大战进攻战役首先从正太路发起，而后扩展至山东以外的整个华北地区和主要交通线。主要包括：冀察全境、晋绥大部和热河南部地区；正太、平古铁路全线；安阳以北的平汉铁路；德州以北的津浦（天津—浦口）铁路；临汾以北的同蒲铁路，归绥以东的平绥（今北京—包头）铁路，北宁（今北京—沈阳）铁路的山海关至北平（今北京）段，白晋（白圭—晋城）铁路的平遥至壶关段，以及正在修筑的德石（德州—石家庄）铁路、沧（州）石（家庄）公路等。
在这些地区和交通线，共驻有日军3个师团的全部、2个师团的各2个联队、5个独立混成旅团的全部、4个独立混成旅团的各2个大队、1个骑兵旅团的2个大队，共20余万人，飞机150架，另有伪军约15万人。
我军参战兵力，计晋察冀军区39个团，第120师（含山西抗敌青年决死队第2、第4纵队等）20个团，第129师（含山西青年决死队第1、第3纵队等）46个团，共105个团，约20余万人。此外，还有许多地方游击队和民兵支援参战。
破击正太路：八路军主力在日军交通干线上发起大规模攻势作战，三路出击，陷敌于瘫痪之中……
正太铁路穿越太行山，全长231公里，连接平汉、同蒲两铁路，是日军在华北的重要战略运输线之一。正太路一旦被毁，山西境内日军的给养补充和掠夺战略物资的外运将发生极大的困难。因此，日军一直以重兵把守。
8月20日20时，是中国抗日战争历史风云中一个特殊的时刻。在八路军总部驻地太行山腹地的王家峪，彭德怀发出战斗号令，正太路破击战准时打响。按照八路军总部的战役部署，此次破击作战分三路同时进行。
第1路在晋察冀军区司令员兼政治委员聂荣臻的指挥下，以18个步兵团、1个骑兵团、2个骑兵营、3个炮兵连、1个工兵连、5个游击队，分别组成左、右和中央3个纵队、牵制部队和总预备队，破击正太铁路阳泉至石家庄段。
第2路在第129师师长刘伯承和政治委员邓小平的指挥下，以10个步兵团、3个独立营、4个工兵连，分别组成左翼队、右翼队、总预备队和平（定）和（顺）支队，破击正太铁路的阳泉至榆次段。同时对平汉铁路元氏至安阳段、同蒲铁路榆次至临汾段、白晋铁路平遥至壶关段以及邯（郸）长（治）公路等，也作了相应的破击部署。
经数日连续战斗，第129师部队先后攻克了正太铁路线上的芦家庄、和尚足、马首、桑掌、铁炉沟、上湖、燕子沟、坡头、狼峪、张净、冶西、落摩寺等据点及车站多处。至此，除寿阳、阳泉等少数城镇，正太铁路西段基本为我控制。随后，我军在广大参战群众积极协助下，对攻克的铁路、桥梁、隧道进行了大规模破坏，使正太铁路西段陷于瘫痪。
第3路在第120师师长贺龙、政治委员关向应的指挥下，集中20个团的兵力在同蒲铁路北段两侧一些主要路口展开大规模破击战。至8月31日，先后攻克了北龙泉、康家会、丰润村、阳方口等多处据点。为了拔除该段铁路线上日伪军的重要据点五寨城，第120师派出精干人员组成奇袭队，化装潜入城内。于正午时刻，以给敌哨兵送水为由，干掉哨兵，打开城门，里应外合奇袭五寨城，共歼灭日伪军800余人，切断了同蒲铁路北段和忻县至静乐、汾阳至离石、太原至汾阳等公路。
9月2日，日军第36、第37师团和独立混成第4、第9旅团各一部，共8000余人，合击正太铁路南侧安丰、马坊地区第129师。该师以4个团兵力英勇抗击敌人，毙伤其200余人，掩护了师领导机关的安全转移。9月6日，上述4个团在榆社西北双峰地区将日军1个大队包围，经过一昼夜的激战，歼其大队长以下400余人。同日，第385旅在张建地区设伏，重创向辽县撤退的日军。
在此期间，晋察冀军区乘日军集中兵力向正太铁路南侧反击，北侧较为空虚的时机，以主力4个团，主动向盂县周围之敌出击，收复了会里、上社、下社等6个据点，歼敌200余人。
9月上旬，活动于正太铁路东段的晋察冀军区第3团和第4军分区特务营等部，再度袭击了娘子关和井陉煤矿，有力地牵制了敌人。由于晋察冀军区主力在盂县地区积极行动，向正太铁路南侧反击的日军独立混成第4旅团主力，从9月5日起，被迫陆续回调寿阳、阳泉、盂县地区，并向晋察冀军区部队反击。与此同时，第120师对同蒲铁路忻县至太原段的破击，也使敌人难于继续从该线抽调兵力增援正太铁路。在此情况下，八路军总部为休整部队，以利再战，决定于9月10日结束第一阶段作战。
八路军在第一阶段作战中，由于战役部署周密，准备充分，部队行动迅速，突然而猛烈地破击了日军占领的交通线，使日伪军联络中断，交通瘫痪，猝不及防，陷入被动挨打、一片慌乱之中。
扩大战果：以攻占交通线两侧和摧毁深入我根据地内的敌据点为重点，进行攻坚作战，连续破击……
第一阶段战役结束后，八路军总部为不给敌以喘息之机，决定连续作战，以攻占交通线两侧、摧毁深入抗日根据地内的日伪军据点为重点，继续扩大第一阶段的战果，于9月16日发出第二阶段作战命令，具体部署是：
晋察冀军区以打开边区西北局面为目的，集中主力破击涞（源）灵（丘）公路，夺取涞源、灵丘两城，并以主力一部于同蒲铁路东侧，积极配合第120师作战；第120师以截断同蒲铁路北段交通为目的，集中主力彻底破坏同蒲铁路宁武至轩岗段；第129师重点破击榆（社）辽（县）公路，并以收复榆社、辽县（今左权县）为目的，进行榆辽战役，并以主力一部破击白晋铁路北段。
晋察冀军区部队发起涞灵战役。驻涞灵地区之敌为日军驻蒙军独立混成第2旅团（司令部驻张家口）和第26师团（司令部驻大同）各一部共1500余人，另有伪军1000余人。晋察冀军区首长决心先夺取涞源县城，并拔除县城附近各据点。
具体部署是：以5个步兵团、2个游击支队、1个骑兵营、1个特务营组成右翼队，实施涞源地区作战；以2个步兵团、1个游击支队组成左翼队，首先准备阻击灵丘、广灵、蔚县方向可能增援涞源之敌，尔后在右翼队协同下，向灵丘及其附近敌据点发起攻击；以1个步兵团为总预备队。9月22日22时，在涞源战役发起的同时，第3团在团长邱蔚、政治委员邓经纬的指挥下，向东团堡发起进攻，激战至23日拂晓，占领东团堡西侧馒头山阵地。此时，日军施放毒气进行反击，第3团进攻受挫。入夜后，第3团再次发起攻击，与日军展开近战、夜战、白刃格斗，使其无法再施放毒气。几经血战，攻克东团堡外围阵地，日军退守核心阵地，顽抗待援。24日20时，第3团再次攻击，因日军再次施放毒气和我攻坚伤亡过重，开始转为围困作战。25日下午，日军开始焚烧据点内的粮食、武器，企图拼死突围。见此情况，第3团再次发起猛攻，残敌20余人见突围无望，援兵不到，被迫燃火自焚。此战从23日至26日，全歼日军170余人，我军共攻克涞源外围据点10余处。
10月7日至9日上午，左翼队在右翼队一部配合下，于灵丘、浑源一线，先后攻克南坡头、抢风岭、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。同时，在易县、保定、定县一线，也发现大量敌人活动。聂荣臻司令员审时度势，果断决策，于10月10日结束了涞灵战役。此役共进行了18天，歼敌1100余人，我军亦付出较大伤亡。
第129师发起榆辽战役。驻榆辽地区之敌为日军独立混成第4旅团1个大队，另有2个大队驻和顺、昔阳、榆次之间，与榆辽地区之敌相互呼应。日军主要守备榆辽公路，企图使这条公路经武乡向西南伸展，与白晋铁路相连，以达其分割我太行北部地区的目的。为打破日军的企图，第129师在刘、邓首长指挥下发起榆辽战役。
9月23日23时，榆辽战役正式打响。在第386旅进攻榆社时，守敌400余人在飞机掩护下，依据城墙，负隅顽抗。旅长陈赓指挥部队3次强攻不下，改用挖坑道逼近城墙，实施坑道爆破，炸开缺口，尔后发起攻击，一举全歼守敌，缴各种炮12门、轻重机枪17挺、步枪200余支。
30日9时至次日零时，我军向敌连续发动10次攻击，经过15小时的激战，歼其大部。但残敌依托有利地形顽抗，与我军形成对峙。同时，辽县西援的日军400余人，已突破新编第10旅的狼牙山阻击阵地，对我构成前后夹击之势。为此，第129师撤出战斗，并结束榆辽战役，榆社复为日军占领。此次战役共歼灭日军近千人。
第120师发起同蒲铁路破击作战。为配合涞灵、榆辽方向的作战，第120师于破击战发起前，曾在同蒲铁路西侧进行了三打头马营，袭击奇村、楼板寨、忻口等敌军据点的作战，扫除了向同蒲铁路开进的障碍。9月22日，贺龙指挥第120师所属部队对同蒲铁路发起新的破击作战。为配合第120师发起同蒲铁路破击作战，邯（郸）济（南）铁路破击作战也在此期间先后打响。其中，第129师所属冀南军区在司令员陈再道、政治委员宋任穷的指挥下，以下辖5个军分区共12个团的兵力，对日军正在修筑的邯济铁路及沿线的重要公路线展开破击作战，共歼日伪军1700余人；晋察冀军区所属冀中军区部队在司令员吕正操、政治委员程子华的指挥下，以下辖5个军分区及直辖部队共17个团的兵力，向任丘、河间、大城、肃宁等交通沿线的日伪军发动攻势作战，从10月1日至12日，共攻克据点20余处，歼日伪军1500余人，破坏公路150公里。
避敌锋芒：分散部分主力部队与地方游击队和民兵开展游击战争，进行反击日军报复“扫荡”的作战……
日军遭到我军连续两个阶段的大规模打击后，深感八路军对其威胁的严重性。为稳定局势，巩固占领区，于10月上旬开始，陆续从正面战场调集部分兵力投入华北战场，对抗日根据地进行疯狂的报复“扫荡”。
为此，八路军总部于10月19日下达了反“扫荡”作战命令，要求在日伪军对我根据地采取空前毁灭政策的形势下，太行、太岳、晋西北等各根据地党政军民要密切配合，实行空室清野，并分散部分主力部队与地方游击队和民兵广泛开展游击战争，保卫抗日根据地，坚决粉碎日伪军的“扫荡”。于是，我军不顾连续作战的疲劳，开始投入反击日军报复“扫荡”的作战。
太行地区的反“扫荡”作战 10月6日，驻沁县、襄垣日军独立混成第4旅团、第36师团各一部，在榆社、辽县的日军配合下，集中近万兵力，对太行地区榆社、辽县、武乡间的浊漳河两岸和清漳河东西地区进行连续“扫荡”，并把“扫荡”的重点放在进攻中共中央北方局、八路军总部和边区党政机关所在地麻田、王家峪、砖壁、左会等地区，企图寻歼第129师主力和我党政军首脑机关。为打破日军企图，10月14日，第129师新编第10旅一部在副旅长汪乃贵、政治委员赖际发的指挥下，在和（顺）辽（县）公路上的弓家沟设伏，歼敌1个运输队，击毁汽车40余辆。
29日，第385、第386旅和新编第10旅主力，以及决死队第1纵队2个团在八路军副总指挥彭德怀的直接指挥下，将日军第36师团1个大队包围于武乡以东关家垴高地。被围之敌抢修工事，固守待援。我军冒着敌机的轰炸扫射，迅速突破日军防御阵地，将其压缩于狭小地区，展开白刃格斗。战至31日拂晓，歼日军400余人。31日下午，日军约1500余人赶来增援，我军遂停止攻击，主动转移。
援敌扑空后，分路西进，合击砖壁、王家峪、东田等地区。为掩护总部机关转移，第129师令第386旅在旅长陈赓、政治委员王新亭的指挥下，分路阻击进犯之敌。各阻击部队，英勇顽强，战况空前激烈，在予敌以重创的同时，第386旅也遭受较大伤亡。战斗从11月3日上午进行到4日凌晨，完成了预定任务。11月5日，日军向白晋铁路线撤去。至14日，各路“扫荡”日军全部撤退。
太岳地区的反“扫荡”作战 11月17日，日军第36、第41师团、独立混成第9旅团各一部，共约7000人，开始分路对太岳地区进行“扫荡”作战，并重点合击中心区域沁源及其以北的郭道镇地区。太岳军区部队在第386旅旅长陈赓的统一指挥下将主力组成沁东、沁西2个支队，转战于日伪军合击圈内外的沁河两岸地区，寻机灵活打击日军。23日，日军合击扑空后，转向分散“清剿”，疯狂地烧杀抢掠我根据地人民。仅沁源一县被害群众即达5000余人，被抢被杀牲畜近万头。23日至27日，沁西支队第42、第59团于官滩、胡汉坪、马背地区，歼日军260余人；沁东支队第17、第57团于光凹、陈家沟、龙佛寺、吾元镇、南卫村、南里等地，予敌以重创；同时，我游击队、民兵也积极配合主力部队，广泛袭击敌人。在我军民紧密配合反击下，至12月5日，日军陆续撤出了太岳地区。
晋西北地区的反“扫荡”作战 10月下旬，日军独立混成第3、第16旅团各一部共4000余人，开始对晋西北第8军分区和第3军分区米峪镇地区进行“扫荡”。晋西北军民密切配合，广泛开展游击战和实行空室清野。同时，集中主力一部，寻机歼灭小股日伪军，或转到外线，断敌交通，袭敌据点。在晋西北地区军民多种形式的打击下，日伪军整日不得安宁。日伪军对我根据地实行烧光、杀光、抢光的“三光”政策，致使许多村庄被烧光，许多家庭被杀绝，许多妇女被强奸后又被杀害。在兴县，日伪军将我男女老幼200余人关进房内烧死。晋西北地区被残杀群众达5000余人，被抢被杀牲畜达5000余头，被烧毁的房屋、窑洞达1.9万余间。根据地人民的生命财产，遭到空前浩劫。
但晋西北抗日军民并未屈服，他们同仇敌忾，积极开展各种形式的游击战，反击日伪军的报复“扫荡”。从12月14日至27日，晋西北地区军民连续作战近100次，迫使日伪军由疯狂“清剿”转为修路、建点，并在其控制的点线内，如兴县、临县、方山等地区，停止烧杀，改取怀柔政策，企图长期驻守，以割裂晋西北根据地。为打破日伪军企图，第120师分散部分主力部队，配合游击队和民兵，坚持区不离区、县不离县的斗争；同时，集中部分主力部队，破击交通线，袭击敌修路部队和运输队，并于日伪军撤退时歼灭其一部。晋西北军民在反“扫荡”中，共作战217次，歼日伪军2500余人，迫使日军于1941年1月下旬全部撤出了晋西北根据地。
我军在第三阶段作战中，坚持以灵活多变的战术，开展广泛的游击战争，经过艰苦奋战，取得了反日军报复“扫荡”作战的胜利，并最终结束了震惊中外的百团大战。
