左纵队（辖冀中警备旅第2团、军区特务团、平井获支队）负责破袭微水至石家庄段。
20日夜，平井获支队袭击岩峰，爆破铁路；特务团掩护群众破坏岩峰至威州电线、公路。
22日夜，特务团攻击上安车站。
1940年8月23日夜，警备旅第2团攻入头泉车站，夺下堡垒2个，随后撤出铁路沿线。
25日至27日，连续出击，破击平山、获鹿、微水、岩峰间公路。
第129师负责破袭正太路西段。该段有日军独立混成第4旅司令部驻地、煤矿基地阳泉，并有榆次方面独立混成第9旅的策应。
第129师左翼破击队辖第386旅第16团、决死第1纵队第38、第25团等部，负责破袭正太路寿阳、榆次段。
1940年8月20日20时总攻发起后，第16团5个连进攻芦家庄车站，连克碉堡4座。
第16团向榆次游击的2个连配合工兵炸毁芦家庄至段廷之间的所有桥梁。
第38团突然袭击攻占上湖、和尚足2个车站。
第25团攻克马首车站，日军逃向寿阳。
第129师右翼破击队由新编第10旅第28、第30团等部组成，任务是破击正太路阳泉至寿阳段。
1940年8月20日晚总攻发起后，第28团兵分三路，攻击狼峪、张净、芹泉车站。
第30团向桑掌、燕子沟进攻。当晚攻占桑掌，并将该处大桥破坏。
21日占领燕子沟，炸毁两座铁桥。
到23日，又攻克狼峪、芹泉等据点。
在此期间，右翼队还攻克了坡头、辛庄、赛鱼、铁炉沟、小庄、张庄等车站和据点。
1940年，百团大战期间，中国军民夜间合力掀翻枕木和铁轨。
第129师总预备队第772团于8月22日、25日2次强袭平定西南冶西之敌，终于将敌大部歼灭，占领冶西。
落摩寺日军被第769团围困10天，到8月31日全部就歼。
至此，正太铁路西段除寿阳等少数据点外，均为第129师所控制。由于部队攻击猛烈，正大路西段日军数日内联络中断，各据点日军在被攻击围困之中，迅速被歼。
第129师动员组织民众，采用搬拆、爆破、火烧、水淹等方法，破坏铁路、车站及其附属设施。
为掩护师破袭作战，战役开始时，第129师即以总预备队的第14团占领狮垴山。
敌独立混成第4旅从8月21日上午起，集中阳泉日军，并武装日本侨民，连日出犯狮垴山。
敌兵力由200余人增至600余人，在约20架次飞机轰炸扫射和施放毒剂的支援下，连续进行反扑。
第129师总预备队战至25日，先后打退敌多次进攻。
1940年8月26日，日军进一步增兵，继续向狮垴山反扑。
第14团在坚守6昼夜、歼敌400余人后，主动撤出狮垴山主峰，继续以小分队钳制日军，主力转移执行新的破路任务。
在正太线破袭战取得重大胜利，第一步战役目标基本实现，该线日军增强力量，频繁向破袭部队反扑，山西南部日军第36、第37、第41师团也准备北援正太路的情况下，八路军总部于26日下达了第二步行动方案。
为给第二步行动创造有利条件，八路军总部于27日、29日一再强调继续破路和集中优势兵力歼灭出犯或增援的1个营以下的日军部队。
根据指示，晋察冀军区27日命令右纵队继续破路1、2天。第129师除以部分兵力监视各据点日军外，主力每日轮班破路。
在第129师连续破袭下，正太路西段除寿阳、阳泉等少数城镇外，基本被破坏，交通断绝。
1940年9月2日，八路军总部命令：从3日起结束正太战役；各集团按8月26日命令的第二步行动方针转移兵力，乘正太路遭破坏后，敌不能转移兵力的有利时机，完成第二步计划的任务。
晋察冀军区按照总部26日命令，组织进行盂北战役。第129师由于日军主力反击，转入打击出犯日军的作战，对进击和辽公路，收复和、辽两城的任务，留待下阶段完成。
1940年9月2日起，晋察冀军区部署新的战役行动，以第2、第5、第16、第19团参加主要方向作战，立即向盂县和寿阳以北出动，收复该地区内的敌据点。
由于正太线的破袭战，使盂县以北日军主力南调增援，守备兵力减弱，各据点已感到恐慌，晋察冀军区部队展开锐猛攻势后，不少据点守军开始动摇。
9月5日下午，下社日军在上社日军接应下，退到上社，与上社日军一同连夜向盂县方向逃跑。
9月5日晚，第19团赶到上社附近后，即与第2军分区特务营向逃敌展开追击。
此时，第19团进至神泉、普田地区的第1营截断了日军退向盂县的道路。
6日9时，将该敌包围于兴道村。经5小时激战，歼其大部，残敌80余东逃罗里掌山，复陷于第19、第5、第16团包围之中。
9日夜，日军大半被歼，40余人趁浓雾突围，逃进盂县城。
第2团第3营于7日占领西烟村，8日夜冲入日军据守的土寨，日军大肆放毒，突击部队全部中毒后退出，双方各伤亡20余人。
9日、10日继续围困。11日，西烟日军在盂县日军200余人接应下，逃回盂县。
9月4日，日军抽调2000余人增援盂县地区，开始反扑。
9月10日，晋察冀军区命令第19、第5团留盂县以东以北地区待命，准备配合第129、第120师行动；其余各团向根据地东部、东北部转移，准备执行新任务。
为了钳制正太线方面八路军的破袭作战，日军纠集独立混成第4旅4个步兵营（配属第36师以1个步兵营为基干的支队）、独立混成第9旅3个步兵营（配属第36、第41师均以1个步兵营为基干的支队各1个）等部，向第129师实施反击。
8月30日，独立混成第9旅自太谷、榆社之间地区，9月1日，独立混成第4旅自平定、和顺、辽县，榆社一带相互策应推进，以松塔、安丰、马坊地区为中心合击第129师。
在日军主力转取反攻的形势下，第129师各路破击队即由破击作战转入打击出犯日军的作战。
左翼队连日在高坪、道坪、红凹、中兰、卷峪沟地区予敌打击。特别是卷峪沟约15个小时的阻击战，毙伤敌200余人，掩护师指挥机关、后勤部门及右翼队的转移，战斗后左翼队亦安全转移到外线。
1940年9月6日，左翼队、第772团将太谷出犯之日军500多人包围于榆社西北的双峰地区，激战一昼夜，歼敌400余。
第385旅于6日于张建设伏，重创向辽县撤退的日军。右翼队于9月3日离开正太线向根据地转移，曾在平定以西打击阳泉出扰日军，消灭日军100余人。
随后，部队即行分散，展开游击战。至9月15日，第129师粉碎了日军万余兵力的连续反击。
第120师为配合正太路破袭战，从8月20日20时开始，对同蒲铁路和晋西北主要公路展开大规模的破击，攻取敌铁路公路线上的据点。
康家会是忻静公路上日军最大的据点，驻有日伪军50余人，其东北石神有敌30人，西南利润有敌10余人，静乐有敌100余人。
第358旅以第4团1个营进攻康家会，2个营在康家会以东的炭窑沟、青龙庄间设伏准备歼灭石神增援之敌。
以第716团在康家会以西的砚湾设伏，准备歼灭利润、静乐增援之敌。
8月21日零时30分，第4团第2营向康家会发起攻击，拂晓时将守敌全歼。
由静乐乘2辆汽车增援的日军40人被第716团歼灭，由石神增援之敌也大部被歼。
为扩张战果，第358旅以第4、第716团各一部强袭丰润，其余部队负责打援，8月25日晨将丰润山上碉堡攻占。
正组织火力准备攻击猬集山下大庙内的日军时，敌增援部队赶到，攻击部队遂撤出战斗。
第120师独1旅于8月23日开始行动，第715团曾先后2次袭击寨子村，同时袭击岚县。
第2团破坏峪口至圪洞公路数里，又在班家庄以西山地伏击日军，并连袭石门鄢、寺圪塔敌据点。
8月31日凌晨，独2旅第714团猛袭宁武、朔县间阳方口，烧毁了车站，切断了同蒲铁路，战斗毙伤敌120余人，俘日军2人、伪军32人。
暂1师一度袭入五寨；决死第2、第4纵队切断了汾离公路，并一度袭入汾阳以西的王家池；第359旅第717团多次击退柳林出扰之敌。
第120师在晋西北先后作战180多次，歼日伪军800余人，攻克康家会、阳方口、平社、龙泉等敌车站和据点，一度切断了同蒲铁路北段以及忻静、太汾、汾离公路敌军交通线，钳制了日军大量兵力，使其难以增援正太路，有力地支援了第129师、晋察冀军区方面的作战。
百团大战第一阶段大体上在9月10日结束。
第二阶段（1940年9月22日至1940年10月上旬）
中共中央1940年9月10日指示：
“根据中央七七宣言与七七决定，我八路军新四军全部力量，在目前加强团结时期，应集中其主要注意力于打击日军，应仿照华北百团战役先例，在山东及华中组织一次至几次有计划的大规模的对敌进攻行动，在华北则应扩大百团战役行动到那些尚未遭受打击的日军方面去，用以缩小敌占区，扩大根据地，打通封锁线，提高战斗力”。
“击敌和友是目前军事行动的总方针。”
1940年9月16日，总部下达了百团大战第二阶段作战命令，指示第二阶段作战目的是扩大战果；作战基本方针是继续破坏日军交通，摧毁深入根据地的某些据点。
百团大战第二阶段，晋察冀军区主要进行了涞灵战役，第129师主要进行了榆辽战役，第120师主要破击了同蒲路。
日军驻蒙军占领的涞源、灵丘地区，深入晋察冀边区西北部。驻涞源、灵丘及其附近的是日军独立混成第2旅、第26师各一部，共1500余人，另有伪军1000余人。
日军受到第一阶段打击后，各据点纷纷增加兵力（其中涞源城已增到500人左右），增修加固工事，储备粮弹。
晋察冀军区决定调集部队，组织涞灵战役。
1940年9月22日22时，涞灵战役开始，右翼队向涞源县城及其周围据点发起猛烈攻击。经一夜激战，夺占东、西、南关，日军退入城内。
百团大战第二阶段，涞灵战役三甲村战斗后，被俘的日伪军及家属。
百团大战第二阶段，涞灵战役三甲村战斗后，被俘的日伪军及家属。八路军干部向俘虏的日伪军讲解宽大政策。
百团大战第二阶段，涞灵战役三甲村战斗后，被俘的日伪军及家属。
1940年9月23日当夜，第2团在第1团1个营及炮兵配合下，猛攻涞源城东10公里处涞（源）易（县）公路上的敌重要据点三甲村，歼敌大部，将其占领。
同时，第3团向涞源城东北东团堡发起猛攻，至24日夜，攻克该村周围全部堡垒，将残敌压迫于村中数间房屋死守。
25日，敌将据点库存武器、物资、粮食全部烧毁，准备突围。攻击部队再度向敌猛攻，残敌突围无望，投火自焚。
1940年9月26日，右翼队其他部队和平西军分区第9团也连克桃花堡、白乐堡、吉家庄、辛庄、北口、下北头、白石口、中庄、王喜洞、刘家嘴、张家峪、北石佛、金家井等13个据点。
战役发起的第2天，日军开始由张家口等地南援，由于破路不彻底，日军推进迅速。
1940年9月28日中午，日伪军3000余人搭乘汽车，在坦克20辆、飞机4架的掩护下，进抵涞源城。
在这种情况下，右翼队已难开展有利的攻势，晋察冀军区乃决心转移攻势于灵丘地区，第一步扫除灵丘、浑源间敌据点，第二步夺取大营东南至神堂堡一线及大营、沙河以北山地内敌据点。
10月2日，晋察冀军区命令右翼队主力集结涞源以东及东南地区整理，一部监视钳制涞源之敌，另以第1、第2团归左翼队指挥，加入左翼队作战。