战役首先从正太路发起，而后迅速扩展到除山东以外的整个华北地区和主要交通线。正太铁路，东起河北正定，西至山西太原，全长240余公里。它横贯太行山脉，是华北敌军连接山西、河北、山东三个地区的最主要的战略交通线，也是日本侵略军对我敌后山区抗日根据地进行分割、封锁和窃取掠夺山西经济资源的重要的铁路干线。日军依据这条铁路，向两侧延伸，钉下了一个个钉子，修筑了一条条汽车路，企图分割抗日根据地，劫掠与蹂躏中国人民，以达到“以战养战”的目的。在这条铁路线上，有天险娘子关和日军在华北的重要燃料基地阳泉、井陉煤矿。因此，八路军选择了这条铁路线作为破袭的重点，百团大战第一阶段的任务就是进行以正太线为重点的交通总破击战。
除太原与石家庄外，日军以第4、第8、第9三个混成旅团各一部共3600余人，分布在50多个据点里，守备在这条铁路线上。沿线大小城镇、车站、桥梁、隧道附近，均筑有坚固据点20多处，各点以数十至数百人的兵力守备。敌人经常派装甲车轧道巡逻，自吹这是一条坚不可摧的“钢铁封锁线”。但是，正当敌人大做“高枕无忧”的美梦时，却突然遭到了我抗日军民的猛烈袭击。
8月20日晚上22点，八路军在正太铁路全线准时发起了总破击战斗，一颗颗攻击的红色信号弹腾空而起，划破了夜空，各路突击部队像猛虎下山，扑向敌人占领的车站和据点。守备日军首尾不得相顾，既无招架之功，更无还手之力。敌指挥官手足无措，不知从何处调兵，又向哪里增援，英勇卓绝规模空前的“百团大战”就这样打响了。由于一开始我军就控制了战场上的主动权，所以对敌人的进击势如破竹，所向披靡，为整个战役的顺利进行开了一个好头。
正太路破击战打响后，构成这一战役炽热场面的有娘子关战斗、阳泉狮脑山战斗等。天险娘子关，位于冀、晋两省的交界处，是进出山西的咽喉要地，扼守着华北的重要交通命脉。抗战爆发前，这里就是国民党军队晋东防线的重点工程。
1937年10月26日，日军侵占娘子关后，凭借险峻的山势，在旧有的国防工事的基础上又加修了4个大堡垒，周围还布有严密的火力网。除守备娘子关的日本军队外，在关下的村子里还驻扎了一部分伪军。险要的地势，日伪重兵的守卫，使攻夺娘子关的战斗就显得异常艰难，攻克娘子关成为百团大战中的关键一仗。
战斗开始当夜，担负主攻任务的是晋察冀军区右纵队第5团、第19团的部队。他们首先潜入娘子关村，解决了村里的伪军，然后依托村庄，向据险顽抗的日军进行强攻。在陡峭的山坡上，战士们冒着浓密的火力网，前赴后继，向娘子关上敌堡垒仰攻，云梯被敌人的炮火炸断了，就搭人梯。虽然攻关部队数倍于敌人，但敌人占据险要地形，而且装备精良，正面进攻伤亡较大，一时受阻。这时，预先准备好的从侧面迂回进攻的部队与敌人展开肉搏拼杀。我解放区自制的武器也发挥了威力，手雷、手榴弹在敌群中炸开。从敌人手中缴获的爆破筒也用上了，战士们将它插进敌堡，被推出来，又插进去，又被推出来，最后终于炸开了敌堡。
3小时的战斗，打得非常艰苦，我军伤亡90余人，歼敌500余人。天近黎明的时候，我军胜利的旗帜已经插上了娘子关头。在侵略军铁蹄下生活了近3年的娘子关地区的同胞，看到八路军的红旗高高地飘扬在关头上，兴奋得流出泪水，娘子关要隘又重新回到了人民的手里。占领娘子关后，我军乘胜破坏敌工事，并将关东面的铁路桥炸毁，收割了大批电线。21日，在日军增援部队赶到前，我军主动撤离了娘子关。
与此同时，我军第5团第1连邓仕均连长率领全连145人，在新家垴山下河北村渡过温河，勇猛地向娘子关磨河滩火车站之敌发起攻击，在我攻击下，残敌200余人退入苇泽关隧道。这时，西边开来两列载有归国退役的日军列车先后抵达磨河滩车站。第一列车上有日军800人，第二列车上有日军400人，同时到达的还有负责护送的装甲车队。处于绝境的日军残敌，突然得到列车上千余退役日军的增援，遂凭借铁路隧道一起进行顽强抵抗。双方反复争夺，战斗十分激烈。
为了调动敌人离开洞口将其消灭，我堵击洞口的部队主动撤离。敌人中计，由东西两口窜出300多人爬上北山，分两路向我进犯。我军见时机成熟，将仅有的两门山炮立即向出犯之敌发起进攻，毙伤敌四五十人。敌见中计，拼命夺路，企图逃回隧道。团长陈祖林、政委肖锋指挥2营将敌三面包围，激战半天，毙敌50余人，伤敌60余人，俘4人。
23日，八路军再次向娘子关守敌发动猛烈进攻，守敌百余人，与我激战后，退入苇泽关，我军再次占领娘子关。
24日，天降大雨，洪水泛滥，军区5团一个连被滚滚洪流阻隔于南岸，与团部失去联络。全连145名战士，在连长邓仕均的指挥下，面对强敌，顽强战斗，殊死相拼，敌400余人向我包围攻击，我军勇敢的战士打退了敌人10余次进攻，毙伤200余人，我军100多人英勇捐躯。在泅水后撤时，又有几人被无情的洪水吞噬，生还者只有17人。
26日，因破击任务胜利完成，加上石家庄方面的日军独立第8混成旅团正在增援途中，八路军久攻无益，遂奉命主动撤退，转入肃清正太路两侧残敌，进一步扩大战果的作战。
这次争夺战，共歼灭日军1000余人，缴获枪支1000余支，山炮2门，掷炮筒10多个，无线电台1部，还有不少弹药及军需用品，并炸毁火车两列，车皮40节。正太路娘子关至乱流段交通完全瘫痪，使铁路交通中断一个多月，给日军以沉重打击。
攻克娘子关以后，我军又以两天时间的战斗，相继摧毁东王社、贾庄、南正、乏驴岭、蔡庄、地都、北峪等据点和车站。
阳泉是日军片山旅团司令部所在地，日军独立混成第4旅为挽救其分散守备部队被歼灭的命运，便纠集其一切可能调用的兵力，甚至武装了驻地的全部日侨，且又辅以飞机助战，向我发起了反扑进攻，遂演成了8月20日至26日的长达7天的狮脑山争夺战斗。
狮脑山阻击战是百团大战第一阶段中的重要战役。因此，在破击战役开始前，刘伯承、邓小平首长根据对敌情的认真分析，就已经预料到，由于敌指挥官骄横暴戾，并且器小易盈，战役发起之后，驻扎在这条铁路上的敌人片山旅团，将会抽集大部兵力，进击我右侧背。所以，在战役发起前研究兵力部署时，刘、邓首长一再要求注意这个问题，决定把师的主要打击力量预伏在狮脑山一线，以防敌人拊我侧背。
狮脑山位于阳泉西南角，是阳泉之制高点。如果控制了狮脑山，就可以控制正太铁路的咽喉，就可以居高临下，控制整个阳泉，并可保障阳泉以西我军破击部队的安全。8月20日晚，第129师第385旅第769团和第14团以迅雷不及掩耳之势，解决了驻扎在西峪村的矿警队之后，连夜登上狮脑山。巍峨的狮脑山，就像一只张开大口的雄狮，正等待着敢于来犯的敌人。
当八路军攻击的枪炮声把敌人从睡梦中惊醒时，驻阳泉日军指挥官片山省太郎和他的旅团司令部被惊呆了。正太线各车站和沿线各据点纷纷告急求援。然而，我军占领的狮脑山阵地，正好卡住片山旅团的咽喉，使之自身难保，更不用说是去增援了。敌人意识到只有夺回狮脑山阵地，才能确保阳泉安全，才敢去支援正太铁路两头受到攻击的各车站、据点。
驻阳泉日军因有平辽公路为副翼，开始对狮脑山并不在意。除煤矿附近有两个碉堡外，各山口并无守备的日军。当八路军占领狮脑山后，敌人如梦初醒。于是，片山旅团仓皇调集人马，疯狂地向八路军狮脑山阵地扑来。
21日凌晨，日军60余人向狮脑山发起第一次进攻。当日军离开军营，在桃河的河滩上涉水向前运动时，便遭到我第14团迫击炮连的猛烈轰击。我第14团第5连、第6连依托工事，沉着应战。当敌人已近至能看清眉目的时候，各种武器一起开火，霎时间，发发炮弹打得敌人倒的倒、散的散。在敌指挥官的威迫下，敌人勉强组合成散兵队形，向我前沿高达几百米的高坡扑过来。我军以密集火力猛烈扫射敌人，打得敌人寸步难移，匍匐不前，惊慌失措，乱作一团，而仓皇溃逃，最后只好放弃被击毙的日军尸体缩回阳泉。敌人第一次反扑，就这样被八路军击退了。
敌人见正面攻不动，便于当日下午3点钟左右，将兵力增加到150多人，绕到狮脑山下的西峪村，想从狮脑山的背面迂回我第14团阵地，使坚守在主峰的第14团腹背受敌。此时，陈锡联旅长也有预感，敌人从正面攻不下来，可能要从侧翼迂回，特别是西峪村一带地势较平缓，易攻难守，是个薄弱部位。于是，对14团官兵说，你们在这里坚守，我带人到西峪村去看看。刚一到，就发现有百余日军正偷偷摸上来。陈锡联忙派人通知第769团部队跑步上山，同时组织随行人员立即投入战斗。由于日军人多，西峪村左侧阵地很快被突破，一股日军已冲上山梁。在这紧要关头，接到陈锡联命令的第769团1营、3营正好赶到，在一阵白刃格斗中，第14团也发觉了敌人，团长孔庆德命令3营9连、11连冲过去。日军本想从侧后迂回八路军，没想到自己却被陷入三面夹击的地步。在我军的打击下，日军士兵趴在地下，不敢前进一步。战斗一直进行到黄昏，敌军两个中队大部被歼，一部分跳崖逃跑。这一场恶战，日军死伤100多人，山坡上丢下40多具尸体，其中有梅林师团炮兵中岛中队长，敌人的两次攻击均告失败。
经过顽强的阻击后，八路军部队已经有了狙击敌人的经验，利用战斗间隙时间部队抓紧进行了短暂的休整，并重新部署配置了兵力和火力。22日早晨，日军又集中200余人，从燕子沟方向向狮脑山攻击，他们企图打开一条通路，以解正太路沿线之危。而八路军第769团和第14团始终坚守阵地，一次又一次地打退敌人。为了有效地消灭敌人，凭借狮脑山居高临下的有利地形，许多战斗都是眼看敌人快要接近山头时，八路军战士才纷纷跳出战壕，端着刺刀，同敌人展开白刃格斗，将敌人消灭于我军阵地之前。
连日来，日军多次向狮脑山发动攻击均遭到惨败。恼羞成怒的日酋片山省太郎，指挥日军倾巢出动，并且把日本侨民中的军国主义分子武装起来，拼凑了800多人，于23日早晨，以密集的炮火猛轰狮脑山左右两翼阵地，并施放毒气弹。炮火、毒气笼罩了整个狮脑山头。午后，又有20余架敌机低空盘旋，轮番向八路军阵地扫射轰炸，企图掩护地面部队向我攻击。此时，因为连日下雨，战壕里已积满了水，英勇的八路军战士们趴在泥水里沉着应战，凭借算计得很准确的一排排手榴弹，把冲到眼前的日军一批批地打得退下山去。
此时，敌人一半以上的兵力都集中在狮脑山北侧，另外一部分兵力和轻重火力，猛烈轰击我狮脑山主阵地。狮脑山被敌人炸弹、炮弹轰击得碎石乱飞、尘土蔽空，成了一片火海。坚守狮脑山的八路军勇士们，齐心协力，英勇杀敌。工事毁了，就以弹坑当掩体。机枪手牺牲了，弹药手就接上去打。敌人投掷的毒气弹，冒着浓浓白烟，战士们就用集束手榴弹轰炸，将它驱散。干部负伤牺牲了，战士就接过指挥旗继续指挥作战。就这样一直血战到黄昏时分，部队冲出战壕，与敌人展开肉搏战。来犯之敌在我英勇的八路军战士面前吓破了胆，乘着雨雾、夜色逃跑了。
战斗的当天晚上，天已经黑了，第769团1营阵地上的枪声仍然不断。据报告，进攻1营阵地的敌人并没有退走，还屯集在山腰部，妄图分割我1营与团部的联系，切断我增援道路，以求一举夺取1营阵地，打开其援救正太路的通道。于是，第769团团长郑国仲命令预备队2营迅速派出一个连，配合1营粉碎敌向我侧后迂回的企图。2营6连接到命令，立即投入战斗。连长何文奎、指导员唐兴顺和副连长各带1个排，分成3个冲锋队形向山腰部前进。当副连长领着1个排刚接近山腰，敌人就以一阵密集的火力网直扫过来，副连长沉着指挥，迅速向敌左侧斜沟里闪过，机警地绕道躲过了敌人。当2排、3排接近时，山腰里突然涌出几百敌人，从各个角落围聚而来。连长何文奎一声令下，七八十个战士便迎着敌人冲杀上去。一场鏖战在黑夜里展开，敌人猛烈的火力扫来，几个战士倒下了。机枪子弹穿过了连长的头部，他硬撑起来喊了一声“冲！”就倒在山坡上。敌人的子弹，在八路军战士的周围呼啸着，战士们毫不畏惧，散开队形，几挺机枪向敌人猛烈扫射，一排排手榴弹向敌人投去。唐指导员多处负伤仍在指挥战斗，他高呼：“为连长报仇！”便率领战士们向敌人冲杀上去。这时，右面山上的1营，因山腰之敌与我相距甚近，不能用手榴弹，只能在敌人背后用步枪、机枪猛烈扫射，和唐指导员所率部队前后夹击，打了个反包围战，才把敌人逐出山腰，赶回阳泉。经过5天的战斗，敌人仍被我军阻击在狮脑山下，一步不能前进。
25日，战斗已经进入了第6天，疯狂的敌人从天一亮就出动了20多架飞机，并集中了炮兵火力轰炸狮脑山。大量的炮弹、炸弹飞向八路军阵地，狮脑山主峰淹没在浓密的硝烟之中。经过一番狂轰滥炸，日军以为八路军已丧失了战斗力。他们没有想到刚冲到我第14团1营阵地前几十米时，就被战士们甩出的几百枚手榴弹炸得血肉横飞。前面的敌人被炸倒了，后面的还想往上冲。这时，1营3连的指挥员喊着：“共产党员们，抗日英雄们，冲啊，坚决把鬼子压下去！”便和战士们一起端着刺刀冲向敌人。瞬间，刀枪的碰击声，我军的喊杀声，鬼子的嗥叫声混成一片。有的战士和鬼子厮打，把鬼子活活掐死；有的战士的刺刀穿透了鬼子的胸膛，撞在石头上，把刺刀捅弯了，拔都拔不出来；有的战士抡起枪托砸向敌人，把自己的虎口都震裂了。这一场血战一直持续到天黑，直到把敌人赶下山去。此时，我军在狮脑山上已经苦战了6昼夜。连日来阴雨连绵，指战员们整天穿着湿透了的衣衫，战壕里泥泞不堪，鞋子上的黄泥粘得有好几斤重。
当时，由于我军10万多兵力集中在正太沿线作战，粮食供应非常困难。坚守狮脑山的八路军战士开始还能吃到一点黑豆，以后黑豆也吃不上了，只能吃豆角、南瓜做的菜汤。还有连菜汤也喝不上的时候，只能啃未成熟的苞米和野菜。就是在这样艰苦的条件下，八路军指战员们仍坚守着狮脑山阵地。直到8月26日，胜利完成任务后，部队才全部撤离狮脑山。八路军第385旅顺利完成了阻击的任务，为保证百团大战第一阶段的胜利起到了至关重要的作用。
从战斗打响那天起，八路军总部曾连续4天发布《捷报》，向全国介绍狮脑山的战况。总部首长和第129师首长对狮脑山阻击战也给予了很高的评价。彭德怀副总司令在百团大战第一阶段的总结中表扬说：“守卫狮脑山的部队英勇顽强。”第129师李达参谋长赞扬说：“守卫狮脑山的部队发扬勇敢战斗的作风，凭险阻击，顽强战斗，他们打退敌人一次又一次的攻击，给敌以重大杀伤……有力地保障了左翼部队的行动，这个战斗不仅说明我军攻如猛虎，而且守如泰山，大杀了‘赫赫皇军’的威风。”而日本防卫厅在《华北治安战》一书中却这样记述道：“占领庙高地的共军，从高地上用日本话一面高喊‘投降吧！不投降就全部消灭！’一面进行攻击。对此，日军方面虽然采取了局部反攻，但只有付出伤亡并未成功。在阳泉的日侨（约500人）中，已经认定绝望，甚至出现了穿好衣服准备就难的景象”。
从8月20日晚战役开始至26日，我军留守部队撤出狮脑山，共计7天的时间里，除前记述的娘子关争夺战和狮脑山阻击战以外，在阳泉境内还进行过10几次较大的战斗，它们分别是：
桑掌战斗：桑掌据点是敌人重点中的核心据点，该处有一个大桥，是正太路上数一数二的，它横跨桃河上。“保桥如保命！”这是敌人提出的口号。我军针锋相对，提出：“摧垮桑掌桥，全歼顽敌！”而摧毁正太路必先摧毁正太路的脊椎骨——桑掌桥。20日22时，当八路军129师新10旅30团的1个营，由旅长范子侠带领，在桑掌桥打响第一枪的时候，酣睡的敌兵以为又是游击队来了，不慌不忙地还击着。这时，我炮兵班的老山炮、机关炮齐鸣，敌人才慌乱起来。4连突击班在连长王文兴的率领下，已巧妙地攻入大桥之下，只听“轰”一声巨响，铁轨、枕木飞起四五丈高，路基碎石飞出数里之外，这个21孔的桑掌大桥从中而断。巨响之后，我军又3次向敌据点发起冲锋，经过半小时的激战，守敌全部被消灭。桑掌握在我军手中，使各据点之敌无法互相支援策应，都陷入孤立，首先完成了破袭正太铁路的第一步。
燕子沟战斗：燕子沟在阳泉西面，该处有两座铁路桥，这是我们破击的重点之一。20日夜，大战发起后，我新10旅30团一个连向该据点守敌发起进攻，在民兵的配合下，以最快的速度，把两座铁桥全部炸飞，还烧毁了道木，抬走了铁轨。战斗一直到21日，我军全歼守敌，占领了敌据点。
冶西战斗：冶西敌据点是正太路的外围据点，驻扎着守敌230人，并配有曲射炮1门、机枪3挺，掷弹筒2个。由八路军129师386旅772团和平（定）西县武装自卫队一部，为配合正太路的破袭战，于8月21日夜袭击冶西据点，据点守敌凭借险要地形负隅顽抗。772团指战员在猛烈炮火的掩护下，几经冲锋和白刃格斗，战斗持续了4天4夜，于25日下午4时，攻克了最后一个碉堡。此役共毙敌160人，其余敌人逃回了平定县城。
狼峪战斗：狼峪为正太路上一个重要据点，负责攻取这个据点的是我新10旅28团一部。8月20日22时发起进攻后，因敌人占据了有利地形顽抗死守，未能攻下。21日，我军分析了敌情后，改变了攻击战术和路线，再次向守敌攻击，敌百余人退守碉堡并放毒气。激战3小时，终将据点攻克，守敌大部被歼，为破击铁路扫清了道路。并缴获步枪40余支，轻机枪一挺，粮食万余斤。
坡头战斗：坡头在阳泉西面，是敌人据守的重点车站之一。在冶西战斗结束后，敌人为支援狮脑山守敌，片山旅团司令部命令坡头守敌全力顽固死守。我新10旅30团和平定（西）县自卫队及民兵于21日夜以1个营的兵力向坡头车站发起攻击，在炮火掩护下，激战6小时，车站被占领，站长当场被击毙，毙敌14人，俘伪军18人、日军10余人，缴获火车1列，车头2个，车皮10辆，缴获掷弹筒2个、轻机枪20挺，步枪50支，子弹7箱。打乱了阳泉敌人西进支援狮脑山之计划。
移穰战斗：21日晚，晋察冀军区19团两个连冒雨攻入移穰车站，因副营长负重伤，敌发起反复冲锋，逐退出。23日晚，我19团又复攻，将该站水塔炸毁，并破坏了铁路，移穰至乱流间电线全部被破坏。25日晨，车站完全被我军占领，守敌40余人被消灭。并将附近大小3座铁路桥、水塔及其他建筑物彻底炸毁。还破坏铁路200米，将铁轨、枕木投入桃河，收割电线4000余斤。
赛鱼战斗：22日16时，八路军129师30团攻占赛鱼车站，消灭守敌40余人。沿线铁路被挖断、将枕木放火焚烧，到处都燃起了熊熊烈火。此战毙敌宣抚官2人，生俘日伪军各3人，缴获步枪18支，手枪4支，铁甲车皮5辆。至23日，赛鱼至芹泉段50余里铁路，均被彻底破坏。
测石战斗：测石车站是正太路的二等大站。23日黄昏，测石站已被围困了两天两夜，当范子侠旅长率领一队战士身着日本军服在测石山脚处出现，并摇旗高呼时，测石车站的日军守备队以为是援兵到来，顿时喜出望外，列队欢迎。当八路军战士行进到跟前时，哒！哒！哒！一阵猛烈的扫射，敌人后悔已迟，战士们乘势冲进堡垒群内，杀的敌兵措手不及。不到半小时结束战斗，全歼顽敌，测石车站被智取而得。
在八路军与日军激战阳泉的同时，阳泉周边地区也在展开激烈的战斗，现将主要战况介绍如下：
井陉煤矿战斗：井陉煤矿位于正太铁路以北，滹沱河以南，东靠微水、获鹿，西邻娘子关，日产原煤6000吨。该矿是日本侵略者在华北开发的重要军事资源之一，除了供给华北日军的全部需用之外，由于煤质优良，大部运往日本，提炼煤油。井陉煤矿有东王舍、岗头和横山三个矿区，日军在其周围都挖了外壕，架设了铁丝网，并在铁丝网内修了3米多高的围墙，墙上安装了电网。矿区里外构筑了10多个碉堡和炮楼，还配备了1个步兵中队的兵力日夜防守。
百团大战中，晋察冀军区将破坏井陉煤矿的任务交给了中央纵队的第3团。8月20日晚10时整，攻击开始。1营3连的战士在煤矿工人的指引下，抬着长梯爬上电线杆，剪断了输电线路，耀眼的电灯顿时熄灭，整个矿区一片漆黑。熄灯就是命令。1营赖庆尧营长大吼一声：“冲啊！”2连指战员快速越过外壕、铁丝网，逼近电网的高墙。刚刚入睡的日本兵，被八路军的枪声和手榴弹爆炸声吓得不知所措，慌慌张张从床上爬起来，有的迷迷糊糊朝冲过来的八路军战士问口令，有的赤身裸体窜出房子，盲目地朝四下放枪。2连战士用篮球胆裹着双手，举起铡刀砍断电网，再架上门板，翻过高墙，冲进了矿区。初战比较顺利，不到15分钟，就拿下了两个碉堡。
与此同时，隐蔽在东王舍村的4连也冲进矿区，接连攻下了3个碉堡。最后还剩下新矿的中心碉堡，高10余米，易守难攻。二班战士吴鸿奚第一个扑上去，抡起铡刀左右开弓，几下砍断铁丝网，劈开了通道。然而，就在他砍断铁丝网的同时，从碉堡中飞出的一颗子弹打中了吴鸿奚腰间的手榴弹，随着“轰”的一声响，吴鸿奚倒在血泊中。碉堡里的机枪还在不停地扫射，几个战士又倒了下去。战士们向碉堡发动更加猛烈的攻击，但都未奏效，4连伤亡很大。黎明时分，完成牵制任务的3连在连长沈万玉的带领下赶来参加攻打中心碉堡的战斗。在得到营长赖庆尧的同意后，以强大的火力为掩护，沈万玉连长带领爆破队冒死冲锋，战士们前仆后继，终于接近了碉堡，用炸药炸裂了碉墙，冲进堡内，与日军展开肉搏战，激战至天色大亮，将残敌全部歼灭，这个最顽固的堡垒终于拿了下来。
在矿工们的帮助下，战士们将能够搬走的炸药、枪弹等物品悉数运走，其余大量设施设备被彻底烧毁或炸毁。被解救的煤矿工人、青壮年踊跃参加了八路军，老弱和眷属也纷纷离开了井陉。
就在1营占领井陉新矿的同时，2营也拿下了贾庄炮楼。攻打岗头老矿的3营虽经奋勇冲杀，但因下起瓢泼大雨，日军凭借堡垒工事顽强抵抗，老矿始终未能攻下。破击行动一直持续到24日，井陉煤矿遭到严重破坏，使日本侵略者损失极大。
芦家庄战斗：8月20日20时，我左翼队之第16团五个连以两个连越河袭夺芦家庄车站以北之碉堡，尔后再占领芦家庄，由东向西攻击车站。另以三个连攻夺车站以南500米远处之碉堡（两个），尔后由东南向西北车站攻击。战斗开始后约30分钟，4个碉堡全部为我占领，建公大铁桥全部炸毁守敌大部为我消灭，仅剩残敌12人向西溃退，被我预占芦家庄之两个连迎头，敌复转向东窜，又与我攻车站之营遭遇，该敌视无法逃走，就占领车站高房死守顽抗，当时未攻下。此时，该团向榆次方向游击之两个连配合工兵，已将芦家庄至段廷铁桥（除段廷铁桥外）全部炸毁。次日拂晓时，我又向芦家庄实行火攻，并以炮火猛轰，当时敌人非常恐慌，所有火药及汽油库均中弹着火，但当时因我部队联络不够，又加21日夜天落大雨，河水猛涨不能徒涉（22日、23日两天大雨未停）。芦家庄又增敌400余，因此，该处残敌未能全部消灭，甚为可惜！
上湖战斗：我38团主袭上湖之两个营，以一个营为预备队，以一个营于21日3时开始攻击，战斗约半小时，将车站之敌全部消灭。但东南之碉堡，当时未攻下。21日，我又集中该营，在火力掩护下继续向碉堡之敌攻击，住在山顶上的伪军家属们听到枪炮声，急忙跑出来叫他们的儿子回家。在堡垒里抵抗的伪军，听到他们的亲人在呼喊自己，有的停了火，有的拖着枪向我军跑过来，剩下的敌人集中在堡垒里，企图做最后的挣扎。这时，我军把炮头调到离敌人70公尺处，两发炮弹就将其工事摧毁，我军完全占领了上湖。
和尚足战斗：38团另一个营20日24时以两个连配合工兵炸桥，并担任警戒，以一个连为主攻，当我距敌约100米远时，敌即开始向我射击，我见敌发觉，当即实行强袭，砍断铁丝网，越过外壕一涌而逼近碉堡，该连战士李占奎，连向碉堡内投手榴弹两枚，火焰突起，敌仓皇溃散，大部消灭（仅三四人逃脱），碉堡遂为我完全占领。
马首战斗：25团于20日23时开始攻击。当以一个连攻夺马首车站左翼碉堡。第二连攻夺车站，第三连攻夺右翼碉堡（两个）。战斗约半小时，将碉堡完全占领，惟车站之敌死守高房顽抗，当时未攻下。21日，我又集中二、三连复向该敌攻击，激战终日。是役敌乘我警戒疏忽之际，向寿阳逃去，车站为我占领。
落磨寺战斗：落磨寺在阳泉西南，是敌人从寿阳伸出来的一条公路上的一个最大的据点。它与阳泉、寿阳成为三角形，左可声援阳泉，右可围护寿阳。自从敌人占领，就在村外山上，修有极坚固的碉堡，三层铁丝网围着，里面驻有五六十敌人。碉堡外全是陡坡，还有一条二三尺宽的小路通向战壕。
31日晚7时，我769团以三个连的兵力开始向该处攻击，爆炸声不间断地响着，碉堡里的敌人，颤抖着都跑到了战壕里，他们的平射炮，刚放了两响，便被我们的机关枪狠狠地盯住了。守敌大部被消灭，残余散兵在战壕里茫然地来回跳窜着，其中一个亲自用手枪打死了他的小队长，用血涂在自己的脸上，然后躺在其的尸体旁一动不动，后被我军发现。仅2小时，便结束了战斗，守敌全部消灭，碉堡遂为我部占领。
至此，正太路正定至榆次段的敌据点、车站已基本为我控制。随着正太路上车站、据点，一个又一个地被拔除，我参战部队、游击队、民兵和人民群众，在“不留一条铁轨、不留一根枕木、不留一座桥梁”的战斗口号下，冒着敌机的低空扫射，队铁路、公路及一切附属建筑物展开了大规模的破坏，车站、水塔、桥梁、路基均被拆毁、被炸掉。就这样，作为日军“大动脉”的正太铁路，一时间全线瘫痪。
时任晋察冀军区司令员的聂荣臻回忆当时的情景说：20日晚，正太路全线准时发起了攻击。3个纵队的任务分工是：右纵队破袭乱流至娘子关段，奏效后向阳泉方向扩张战果；中央纵队指向娘子关到微水段及井陉煤矿；左纵队攻击微水至石家庄段的据点。我们计划攻击的重点是井陉煤矿和娘子关。我清楚地记得那一时刻的情景，真是壮观得很啊！一颗颗攻击的红色信号腾空而起，划破了夜空，各路突击队简直像猛虎下山，扑向敌人的车站和据点，雷鸣般的爆炸声，一处接着一处，响彻正太路全线。指挥所几个年轻参谋激动地说，他们参军以来，还没有看见过这样红火的战斗场面。这个时候，不只我们这里，整个正太路沿线和同蒲路部分地段，都淹没在八路军和人民群众大破袭的火网之中。
在完成破击正太路作战任务的同时，担负同蒲铁路北段破击任务的第120师，于8月20日晚对该段铁路和铁路两侧之主要公路展开了大规模破击。至8月31日，先后攻克了北龙泉、康家会、丰润村、阳方口等据点多处，并一度袭入五寨城，共歼灭日伪军800余人，切断了同蒲铁路北段和忻静、汾离、太汾等公路。
在破击正太铁路、同蒲铁路的同时，八路军在地方游击队和民兵配合下，对华北其他各主要铁路、公路，也进行了广泛的破击，并攻克了一些据点，歼灭了部分敌人。冀南军民严重破坏了平汉铁路元氏至安阳段，迟滞了日军修筑德石铁路的进程。太岳军民破击了白晋铁路和同蒲铁路南段。冀中军民除破击本区内部分交通线外，还袭击了一些敌据点。冀东军民破击了北宁铁路，一度袭入唐山市，攻克了赵各庄、唐庄子等据点。
在八路军突然猛烈攻击下，正太铁路沿线的日军在数日内联络中断，情况不明，陷入混乱状态。但在查明情况后，便紧急调集兵力，进行疯狂反扑。在正太铁路西段，日军从白晋铁路沿线和同蒲铁路临汾南北段，抽调第36师团、第37师团、第41师团各1部，配合独立混成第4旅团、第9旅团向八路军第129师反击。在正太路东段，日军从冀中、冀南抽调约5000人，增援石家庄、娘子关及其以北地区，配合独立混成第8旅团向晋察冀军区部队反击。反击之敌采取东西对进，企图重新打通正太铁路。在同蒲铁路北段，日军也开始进行反击。
8月26日，八路军总部根据敌情变化，调整了作战部署。并下达“扩展正太线战果，肃清正太线西侧残敌”的命令。决定：晋察冀军区以3个步兵团坚持正太铁路寿阳至石家庄段沿线的游击活动；以4个步兵团力求收复上社、下社以北各据点，并向盂县、寿阳以北，定襄、忻县以南开展游击活动；第129师以4个步兵团破击平（定）辽（县）公路，相机收复辽县、和顺两城，以2个步兵团坚持阳泉以西正太铁路沿线和榆次、太谷地区的游击活动；第120师以5个步兵团破击同蒲铁路忻县至太原段。
9月2日，日军第36师团、第37师团和独立混成第4旅团、第9旅团各一部，共8000余人，合击正太铁路南侧安丰、马坊地区的第129师以4个团兵力英勇抗击敌人，毙伤敌200余人，掩护了师领导机关的安全转移。
9月6日，八路军第129师部队于榆社西北双峰地区，将日军1个大队包围，激战一昼夜，歼其大队长以下400余人。同日，第385旅在张建设伏，重创向辽县撤退之日军。与此同时，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，有力地钳制了敌人。在此期间，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。
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。
在盂县兴道村。9月，晋察冀军区第二军分区19团，在完成正太铁路娘子关段的破击任务之后，挥戈北上，奉命消灭盂县境内之敌。4日晚到达张城堡村，经侦察获悉：中社、北会里、下社3个据点的500余名日军和100余名伪军，随带迫击炮和山炮10余门，全部集结在上社镇，准备向盂县城收缩。19团1营星夜翻越徐峪沟大山，零点前赶到神泉村，埋伏在兴道村南河滩开阔地带，截敌南逃退路。2营和3营雨夜行军，于拂晓前赶到兴道附近，2营部署在东西两面的山头上，担任主攻；3营两个连堵在兴道村北截敌退路，一个连作为机动。包围圈很快形成。
5日晨8时许，敌人进入19团的“口袋”，全团指战员以密集火力向敌人射击。敌人遭到突然袭击后，拼命向路旁的庄稼地逃窜，妄图借庄稼作掩护进行反扑，4连战士冲进高粱地与敌人展开肉搏战。全团指战员四面包围，猛冲猛打。经过5小时激战，击毙日军中队长及以下官兵200余人，伪军100余人，生俘日军6名，随军妓女4人，缴获迫击炮5门，山炮6门，轻重机枪20挺，三八步枪300余支，战马14匹，其他军需品甚多。这次战斗中，19团4连连长壮烈牺牲。
从8月20日战斗打响到9月10日，“百团大战”第一阶段胜利完成预定战斗任务，129师及晋察冀军区各部队在阳泉境内的作战取得了巨大胜利。这一阶段中，八路军共歼灭日伪军6700多人，破坏铁路300余公里，公路750多公里，晋冀交通大动脉正太铁路毁坏2/3以上，全线处于瘫痪，所有车站、桥梁、兵营、碉堡、隧道、矿井等全部破坏，沿线大部分据点均被攻占，日军独立第4混成旅团遭到空前惨败。
八路军在第一阶段作战中，由于战役部署周密，准备工作充分，部队行动迅速、隐秘，充分发挥了战役的突然性，因而取得了重大胜利。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后，中央军委主席毛泽东立即电致彭德怀：“百团大战真是令人兴奋，像这样的战斗是否还可组织一两次？”百团大战提高了八路军的声誉，极大地鼓舞了人心和士气。随即，八路军总部颁发“嘉奖令”，表彰我参战各部队，指出“由于我参战全体指战员忠贞于中华民族与人民，英勇用命，果敢进击，在各交通线上，特别在正太线上已取得序战之伟大胜利，无限欣慰，特传令嘉奖”。第一阶段的胜利，为之后的第二阶段和第三阶段的胜利奠定了坚实的基础。
接着在9月16日，八路军总部发出了第二阶段作战“命令”，指示乘胜扩张战果，主要进行歼灭战，重点袭击交通线两侧的日、伪军，摧毁深入到根据地内的日军据点。具体部署是：晋察冀军区主力破击涞（源）灵（丘）公路，并夺取涞源、灵丘两县城；第129师重点破击榆（社）辽（县）公路，收复榆社、辽县两县城；第120师主力对同蒲铁路北段宁武至轩岗段进行彻底破坏，再次切断同蒲铁路北段的交通。在该阶段中，我军在广大群众的支援下，进行了一系列的攻坚战斗，取得了胜利。
10月19日，八路军总部下达了第三阶段作战命令，这一阶段的中心任务是反“扫荡”。我军不顾连续作战的疲劳和战斗减员，英勇地投入了这一战斗。一个半月的破袭战、歼灭战，使华北日军大为震惊，乱作一团，伪军也极度恐慌，纷纷动摇。沦陷区民众人心振奋，敌伪政权大有惶惶不可终日之势。日军惊呼“对华北应有再认识”，为挽救败局，恼羞成怒的敌华北方面军司令官多田骏急调一切可能调遣的兵力，对我华北敌后各抗日根据地发动了疯狂的报复“扫荡”。于是，“扫荡”与反“扫荡”的斗争，便成了百团大战第三阶段作战的主要内容。经过抗日军民的浴血奋战，到1941年1月24日，迫使各路“扫荡”之敌仓皇撤走，使日军消灭八路军主力和根据地党政军机关的企图以失败而告终，百团大战胜利结束。
据当年的有关资料显示：百团大战从1940年8月20日开始，到1941年1月24结束，历时5个月，双方交战1842次，八路军在敌强我弱的形势下，在华北人民群众的大力援助和支持下，以伤亡17000多人的代价，换取了毙、伤、俘日伪军46000多人，破坏日军铁路474公里，公路1500公里，桥梁、隧道、火车站260处，炸毁日伪碉堡523个，缴获火炮53门，枪械5800余支，拔除据点2993个，攻克县城一度多达四五十个，最后得到巩固的有26个，缴获了大批武器和军用物资的重大战绩，取得了战役的胜利。
上述一系列数据表明，百团大战的胜利是伟大的，战绩是辉煌的。因此，彭德怀肯定地指出：“这次破袭战，相当严重地破坏了敌人的交通运输，消灭了相当多的（敌）伪军和伪组织，摧毁了敌伪军在我根据地内为数不少的堡垒，收复了不少县城，缴获了大量物资，是抗日战争中缴获最多的一次。”
百团大战是中国共产党领导的八路军在抗日战争中一次大规模的正面对日作战，它沉重地打击了日本侵略者的嚣张气焰，有力地遏制了投降主义的漫延，极大地鼓舞了中国人民抗御外敌的必胜信念。它使全国人民看到，八路军在极为困难的条件下，不仅发展壮大起来，而且能够给敌人以强有力的打击，是抗击日本侵略者的中流砥柱。
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