一、战役部署
1940年7月22日，八路军总部向晋察冀军区、第129、第120师下达了《战役预备命令》，同时上报中共中央军委。《命令》在分析了国内外形势的变化后指出：八路军应以积极的行动在华北战场开展较大胜利的战斗，破坏日军进攻西北计划，创立显著战绩，影响全国抗战局势，兴奋抗战军民，争取时局好转，这是严重的政治任务。为打击“囚笼政策”，打破日军进犯西安的企图，争取华北战局更有利的发展，决定趁青纱帐与雨季时节，日军对晋察冀、晋西北及晋东南“扫荡”较为缓和，正太沿线较为空虚的有利时机，大举破击正太路。同时，对其他重要铁路，特别是平汉、同蒲铁路，应组织有计划的总破袭，以配合正太路破袭战的行动。规定直接参加正大线作战的总兵力应不少于22个团，要求晋察冀军区派出10个团，第129师派出8个团，第120师派出4至6个团，总部炮兵团大部、工兵一部也参战；在其他铁路配合作战的兵力，由各区自行安排。
8月8日，八路军总部下达《战役行动命令》，确定了战役部署及作战地域：
晋察冀军区以主力10个团破坏正太铁路平定（不含）至石家庄段，重点破坏娘子关、平定段：对边区周围的北宁、津浦、德石、沧石、平汉等铁路，应同时分派足够部队破袭之，阻击可能向正太铁路增援之敌。
第129师以主力8个团，附总部炮兵团1个营，破击平定（含）至榆次段，重点破坏阳泉、张净段；对根据地周围的平汉、德石、同蒲、白晋铁路及邯大、临屯公路，应同时分派足够部队破袭；对平辽公路应派有力部队积极活动。
第120师应破袭平遥以北同蒲铁路及汾离公路；破袭同蒲铁路部署应以重兵置于阳曲南北，阻敌向正太路增援，并力求以约两个团进至榆次南北地区，配合第129师作战；对晋西北腹地内各个敌据点与交通线，应分派部队积极破袭。
总部特务团集结于下良、西营地区待命。战役统一由八路军总部指挥，战役发起时间为8月20日。
上述三大集团根据总部命令，重点对正大路和同蒲路北段沿线的敌情、地形、工事和居民等情况进行了侦察和调查，在此基础上，确定了本集团的作战部署，并秘密调集部队，组织参战部队进行短期的攻坚和破路训练，准备物资器材，进行战前动员。地方政府大力组织动员群众，积极准备各项支前工作。
晋察冀军区于7月27日发出作战命令，作出初步部署，并令军区副参谋长唐延杰率有关侦察人员前往正太路附近侦察。8月15日下午，军区在吊儿村召开主攻方面（正太路东段）作战会议，确定抽调8个步兵团、1个骑兵团又两个骑兵营、3个炮兵连、1个工兵连和5个游击支队，组成3支主力纵队（即右纵队、中央纵队、左纵队）、1支钳制部队和总预备队，担任正太铁路作战任务。同时，对平汉铁路高碑店至石家庄（不含）段、北宁铁路平津段、津浦铁路泊头镇至唐官屯段也作了破袭部署，要求必须切断上述日军交通线，保证主攻方面作战的顺利进行。此外，还部署第2、第5、第8军分区部队，分别在同蒲铁路北段、雁北地区及津浦铁路沿线进行钳制活动。
第129师于7月22日下达了准备进行正太战役的指示，指定8个团参战，要求参战部队作好准备。8月18日，在和顺县石拐镇师前进指挥所召集作战会议，传达了本师《关于正大战役的作战命令》，其内容是：抽调10个团的兵力，区分为左翼、右翼破击队、平和支队、总预备队（即中央纵队），破袭正太铁路。此外，抽调部队分布在平汉、白晋、同蒲铁路沿线，广泛破路袭敌，策应正太战役。
第120师决定抽调20个团，重点破击太原以北同蒲铁路和忻静、汾离公路，配合正太线作战。具体部署是：第358旅破击忻县以北的同蒲铁路和忻静公路，独立第2旅破击宁武至朔县间的同蒲铁路，新军暂1师破击神池至五寨间的公路，独立第1旅围困岚县、东村及离石以北之敌据点，决死第2、第4纵队和工卫旅及师特务团破击太汾和汾离公路。
上述部署表明，初期直接参加正太铁路破击作战总兵力约20个团，配合作战的兵力远远超出此数。正太铁路是华北日军的重要交通命脉。破袭正太铁路，日军心然由平汉、同蒲路东西两面反扑。为了阻敌增援，钳制华北日军兵力的机动，相机展开广泛的破袭，收复敌占据点，于是形成了八路军百余团参加正太战役或配合正太战役的局面。（见附图11）
1940年下半年，日军华北方面军约有27万人，华北伪军约14万人（含苏北）。驻正太铁路沿线及其附近地区的有独立混成第4旅（驻娘子关及其以西，司令部驻阳泉）、第8旅（娘子关以东，司令部驻石家庄）、第9旅（太原附近地区）。百团大战之前，日本中国派遣军于7月20日从华北抽调了6个步兵营和1个山炮营到武汉，增强第11集团军对该地区的守备，其中有独立混成第4、第9旅的部队。加之独立混成第8旅主力在冀中“扫荡”，因此正太铁路沿线日军兵力相对减少。
二、战役经过
百团大战经历了两个主动进攻阶段和一个反“扫荡”的阶段。
（一）第一阶段（8月20日至9月10日）
第一阶段为时20天，中心任务是破坏日军交通，重点摧毁正太路。前10天，晋察冀军区、第129师主要是破击正太路；后10天，日军反扑，八路军撤出正太路，晋察冀军区转而出击正太路以北盂县地区，第129师打击前出“扫荡”的日军，第120师在晋西北配合作战。
8月20日，八路军冒雨通过山谷河流，避开日军外围据点，直接运动到正太路两侧，当晚向正太路全线突然发起攻击，奇袭成功。日军事前毫无所知，措手不及，一时全线被动。
晋察冀军区负责破袭正太路东段。此段有敌坚固设防的天险娘子关和重要燃料基地井陉煤矿，守备严密。
晋察冀军区右纵队（辖第5、第19团）负责破击正太铁路娘子关至乱柳段。娘子关早在失陷前即构筑有国防工事，日军占领后又依据险峻的山崖加修4个大堡垒，使该关防御能力进一步增强，易守难攻。20日20时，晋察冀军区右纵队主攻部队第5团一部首先潜入娘子关村，歼灭村内伪军。然后依托村庄，仰攻日军堡垒，战士们攀登陡峭的山坡，迎着浓密的火网，勇猛向敌攻击，经3小时反复冲杀，攻克全部堡垒，将守敌大部歼灭，黎明时分，胜利的旗帜终于插上了三年来日军践踏的娘子关！这是正太线最早攻克的重要战略要点。接着，主力部队掩护工兵，大量破坏敌工事，并将关东铁路桥炸毁，收集了缴获的物资，在日军增援到达之前，主动撤离娘子关。
第5团进行的另一个大的战斗是袭击磨河滩车站。
20日晚，第5团第1营第1连袭入磨河滩，但遭到日军反击，21日拂晓撤出车站。为完成破坏磨河滩车站的任务，当晚第1连又渡过棉河，攻入车站。敌仓惶退入营房抵抗。磨河滩日军有近1000人（其中800人是乘火车路过该站的退役军人），凭坚固守，难以解决战斗，又值天降大雨，棉河水涨，不能徒涉，第1连遂抢占车站西面村庄固守。22日下午，日军400多人开始反击，第5团主力在棉河北岸向敌实施火力袭击。第1连在歼敌50余人后，撤出战斗。
第19团曾攻入巨城和移穰车站。
右纵队有左右友邻部队的策应，受日军反击较晚，因此，破袭战绩较大。
23日，第5团再次攻占娘子关，并炸毁娘子关以东1里左右的石桥，辽破坏了程家陇底、磨河滩之间的铁路。当晚第19团也再次攻入移穰车站，炸毁水塔、铁路。
24至27日，右纵队还炸毁了岩会附近的9孔大石桥、移穰东面的8孔石桥和3孔石桥以及程家陇底、西武庄间的石桥，程家陇底以东木桥也被烧毁。在右纵队大力破袭下，从25日起，正太路娘子关至乱柳段日军交通完全断绝，日军各据点各自为战，陷入异常恐慌之中。
晋察冀军区中央纵队（辖第2、第3、第16团），负责破袭正太路娘子关至微水段和井陉煤矿。井陉煤矿是日军重点守备目标，在新旧两矿周围筑有近4米高的敷设电网的围墙，墙外又增设铁丝网与外壕。在围墙之内。老矿有15个堡垒，新矿有4个堡垒，并在矿北山上筑有3个碉堡，以瞰制全矿区。
20日夜，第3团对井陉煤矿的岗头老矿和东王舍新矿同时发起攻击。第1营在矿工帮助下首先切断电源，迅速攻入新矿，歼敌警备队一部，残敌躲入碉堡死守。第2天下午，全歼守敌，救出日本职员的小女孩2名。接着在工人帮助下，将14台机器，10个锅炉，3座风车，两个大水他，两座烟筒，5座铁桥和绞车房、电机房、火车站以及矿区重要建筑全部炸毁，搬走了大部物资，使其半年以上不能恢复生产。第3团还夺取了贾庄、南正日军据点，破坏了南正至微水间铁路。第2团攻占乏驴岭铁桥东端堡垒，掩护工兵将铁桥炸毁一段，并一度占领蔡庄日军据点。第16团第2营于20日夜攻入北峪，将守敌大部歼灭，21日掩护工兵破坏北峪石桥；其他各部攻占地都，并将南峪守敌大部歼灭。24日，中央纵队侦知井陉县城已有日军1000余人，南峪、地都也有大批日军增援，日军有大举反扑的可能，乃决定以一部监视和袭扰铁路沿线之敌，主力集结于机动位置待机。
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，特务团又攻击上安车站。
23日夜，警备旅第2团攻入头泉车站，夺下堡垒两个。随后，左纵队撤出铁路沿线。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。这里是敌我争夺更为激烈的地区。
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。
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，将守敌大部歼灭。第16团向榆次游击的两个连配合工兵炸毁了芦家庄至段廷之间的所有桥梁。第38团以突然袭击动作，攻占了上湖、和尚足两个车站。
第25团攻克马首车站，日军仓惶逃向寿阳。
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。
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，并将该处大桥彻底破坏。
21日占领燕子沟，当地两座铁桥也被炸毁。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。
第129师总预备队第772团于8月22日、25日两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，孤军作战，迅速被歼。第129师提出“不留一根铁轨、不留一根枕木、不留一个车站、不留一个碉堡、不留一座桥梁”，“破一里铁路等于消灭一连敌人”，“让敌人用脚同我们赛跑”，“让敌人用牛驴搬炮弹、飞机大炮”等口号，教育、鼓舞部队，并动员组织民众，争取铁路员工，采用搬拆、爆破、火烧、水淹等方法，大力破坏铁路、车站及其附属设施。
为掩护师的破袭作战，战役开始时，第129师即以总预备队的第14团占领狮垴山。狮垴山位于阳泉西南4公里处，占领该地可以控制阳泉以西十几公里的铁路线，并对阳泉构成严重威胁。敌独立混成第4旅力挽救其守备部队被各个歼灭的命运，扭转阳泉的被动态势，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师总预备队顽强阻击，战至25日，先后打退敌多次进攻。
26日，日军进一步增兵，继续向狮垴山反扑。第14团在取得坚守6昼夜、歼敌400余人的重大胜利后，为避免不利情况下的决战，主动撤出狮垴山主峰，继续以小分队钳制敌人，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师也准备北援正太路的情况下，八路军总部干26日下达了第二步行动方案，指示在正太路不能继续坚持作战，或彻底完成正太战役任务的情况下，行动方针是乘胜开展正太线两侧战斗，力求收复深入我各个根据地内的某些据点，继续坚持正太线的游击战；具体部署是晋察冀军区一部向盂县以北地区活动，第129师一部进击和辽公路，力求收复和、辽两县，第120师一部继续破袭同蒲铁路忻县、太原段，乘胜拔除根据地腹地之敌据点。指示各部可向指定区域预作准备，但不要放松现有任务的执行。
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。根据上述指示，晋察冀军区27日命今右纵队继续破路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，交通完全断绝。
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