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，并规定第19团歼灭上、下社敌人，第5、第16团夺取盂县城，第2团向西烟、宗艾出击；以第3团、第4军分区特务营及平并获游击支队一部，继续钳制正太路东段之敌；以骑兵第1团主力、第120师骑兵营、行灵游击支队及军区教导团在平汉线方面执行钳制任务。
由于正太线的破袭战，使盂县以北敌人主力南调增援，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，在该地仍下敢停留，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，只剩下40亲人趁浓雾突围，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，转变被动态势，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，沉重打击了日军合击安丰、马坊地区的企图，掩护了师指挥机关、后勤部门及右翼队的安全转移，从被动中争取了主动。这次战斗后，左翼队亦安全转移到外线。
6日，左翼队、第772团将太谷出犯之日军500多人包围盂榆社西北的双峰地区，激战一昼夜，歼敌400余，大挫其锐气。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，展开广泛游击战。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亲人，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旅决心以第4团1个营进攻康家会，两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。攻克康家会是一次部署周密的速决全歼战，缴获了大批战利品，它是第120师发起破袭战役不久即取得的第一个大胜利。
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用23日开始行动，第715团曾先后两次袭击寨子村，同时袭击岚县。第2团在群众配合下，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，破坏了附近铁路设备，切断了同蒲铁路。这次战斗、全歼守敌，毙伤敌120余人，俘日军2人、伪军32人。此外暂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。在第一阶段中，由于部署周密，准备充分，部队行动迅速、秘密，充分发挥了战役的突然性，因此给了日军沉重打击。
（二）第二阶段（9月22日至10月上旬）
八路军发动百团大战后，从华北敌后到大后方的报刊大力传播胜利的消息，祝捷电文、信件从四面八方飞向延安，飞向八路军总部，极大地鼓舞了人心士气。延安开了祝捷大会。人们期待着取得更大的胜利。
中共中央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敌人，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敌人方面去，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。”＇中央统战部、中央档案馆编：《中共中央抗日民族统一战线文件选编》下，档案出版社，1986年版，第469页。＇
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敌人交通，摧毁深入根据地的某些据点。作战部署是：第120师集结主力破击同蒲路宁武、轩岗段；晋察冀军区集结主力破袭涞灵公路，夺取涞、灵两城（主要是涞源），并以有力一部在同蒲路东侧配合第120师作战；第129师以收复榆社、辽县为目的，开展榆辽地区斗争，并以有力一部不断破击白晋铁路北段。此外，对破袭沧石、德石、邯济、平汉、平绥、北宁、津浦铁路，阻敌修复正太铁路，也作了部署。
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。
1、涞灵战役
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（司令部驻张家口）、第26师（司令部驻大同）各一部，共1500亲人，另有伪军1000余人。日军受到第一阶段打击后，提高了警惕，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，严加戒备。
晋察冀军区决定调集部队，组织涞灵战役。部署是，以第1、第2、第3、第20、第25等5个团及游击第1、第3支队，第1军分区特务营，军区骑兵第1团的1个营，共约1。5万人，组成右翼队，在战役初期夺取涞源及其附近据点，打敌增援，尔后视情况转移攻势于灵丘外围，协助左翼队相机夺取灵丘；以第6、第26团和察绥游击支队，共约5000人，组成左翼队，在战役初期阻敌增援，以有利于右翼队作战（其中第6团暂归右翼队指挥），尔后在右翼队协助下转移攻势，夺取灵丘及其附近据点。此外，以冀热察挺进军平西军分区第9团袭击桃花堡及其附近据点，随时准备打击向蔚县、涞源增援之敌；以第2军分区第4团活动于五台地区，钳制向灵丘增援之敌。同时，命令冀中军区除以主力一部配合冀南军区破击沧石、德石铁路，另以一部袭击北宁、津浦铁路外，组织任（丘）河（间）大（城）肃（宁）战役，钳制驻冀中日军，使其不得西援。
9月22日22时，涞灵战役开始，右翼队向涞源具城及其周围据点发起猛烈攻击。经一夜激战，夺占东、西、南关，日军退入城内固守。
23日，右翼队决定先集中力量拔除外围据点，再行攻城。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团向涞源城东北日军另一重要据点东团堡发起猛攻。该据点由日军第2混成旅的一个教导队共130余人驻守，成员全系各部队选来的士官，训练有素，武器精良，并有坚固的环形防御工事为依托。攻击部队不顾敌人的猛烈火力和不断施放毒剂的威胁，连续勇猛进攻，至24日夜，攻克该村周围全部堡垒，挫折了敌人的锐气，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。东团堡歼灭战，显示了八路军的英勇顽强，使日军震动很大。
到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。
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