1940年8月20日-12月5日，八路军在华北敌后发动对日军的大规模的进攻作战。1940年夏，日本利用德国在欧洲推进，英、美无暇东顾的机会，加紧对国民党施行军事压力和政治诱降，于5月间发动枣（阳）宜（昌）战役，连续轰炸重庆，声称要进攻西安、重庆、昆明，迫使英、法封锁滇越路和滇缅路；还通过各种渠道和国民党蒋介石集团的代表进行接触，商谈“和平”条件。同时，加强对华北敌后抗日根据地的“肃正”讨伐，推行“囚笼政策”，使敌后抗日根据地受到严重威胁。这时国民党政府更加动摇。1940年3月和6月，蒋介石的代表先后去香港、澳门与日本代表会谈；由于日本要求条件苛刻，未达成协议。为了打破日伪军对敌后抗日根据地的封锁和“扫荡”，争取华北乃至中国全面战局的好转，克服国民党的投降危险，八路军前方指挥部在华北敌后（除山东外）发动了大规模的破击作战。1940年7月22日，八路军总司令朱德、副总司令彭德怀等下达《战役预备命令》，规定以不少于22个团的兵力，大举破击正太铁路（今石家庄-太原）。同时要求对同蒲（大同-风陵渡）、平汉（今北京-汉口）、津浦（天津-浦口）、北宁（今北京-沈阳）、德石（德州-石家庄）等铁路以及华北一些主要公路线，也部署适当兵力展开广泛的破击，以配合正太铁路的破击战。8月8日，朱德、彭德怀等下达《战役行动命令》，规定：晋察冀军区破击正太铁路石家庄（含）至阳泉（不含）段；第129师破击正太铁路阳泉（含）至榆次（含）段；八路军参战兵力，计晋察冀军区39个团、第129师（含决死队第1、第3纵队等）46个团、第120师（含决死第2、第4纵队等）20个团，共105个团20余万人，还有许多地方游击队和民兵参加作战。
八路军的进攻战役于1940年8月20日首先在正太铁路发起。正太铁路横越太行山，是连接平汉、同蒲两铁路的纽带，是日军在华北的重要战略运输线之一。日军在正太铁路沿线驻有独立混成第4旅（司令部驻阳泉）全部，独立混成第8、第9旅（司令部分别驻石家庄和太原）各一部。8月20日夜，晋察冀军区在司令员兼政治委员聂荣臻指挥下，以18个步兵团、1个骑兵团又2个骑兵营、5个游击支队，在部分炮兵和工兵配合下，组成左、中、右3个纵队，分别向正太铁路东段日军独立混成第8旅大部和独立混成第4旅一部展开攻击。经数小时激战，右纵队攻入晋冀交界的要隘娘子关，歼日军一部。尔后，破坏了娘子关以东的桥梁和通信线路。向娘子关至微水段进攻的中央纵队，连克蔡庄、地都、北峪、南峪等日军据点，并破坏桥梁两座。攻击井陉煤矿的中央纵队一部，在矿工支援下，破坏了煤矿的主要设施，迫使其停产达半年之久。1940年8月23日，因石家庄方向的日军西援，加上连日降雨，河水泛滥，严重妨碍作战行动，晋察冀军区部队遂转移兵力，实施对铁路、桥梁、隧道的全面破击。
第129师在师长刘伯承、政治委员邓小平指挥下，以8个团（包括决死队第1纵队2个团）、8个独立营的兵力，组成左翼破击队、右翼破击队和中央纵队，亦于1940年8月20日夜对正太铁路西段日军独立混成第4旅大部和独立混成第9旅一部展开攻击；另以2个团会同平定、辽县、榆社等地方武装，分别对平辽、榆辽公路进行破击，并牵制各点守敌，保障主力侧后的安全。左翼队一部进攻芦家庄，连克碉堡4座，歼日军80余人；右翼队一部攻击桑掌和铁炉沟等据点，歼日军130余人。21日，该师为阻止日军从侧背攻击破路部队，令预备队一部抢占阳泉西南4公里处的狮垴山高地。从23日起，阳泉日军在飞机支援下，并使用化学武器，不断向狮垴山猛攻。第129师阻击部队英勇奋战，坚守6昼夜，歼日军400余人，保障了破击部队翼侧的安全。经数日作战，第129师控制了正太铁路西段除阳泉、寿阳以外的大部分据点及火车站，严重破坏了该段的路轨、桥梁、隧道，使正太铁路西段陷于瘫痪。
继续破击日军交通线，重点攻占交通线两侧和深入根据地内的日军据点。为扩大战果，1940年9月16日，八路军总部发出第二阶段作战命令，要求各部队继续破坏日军交通线，摧毁深入抗日根据地内的日伪军据点。部署是：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；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（今左权）两县城。
晋察冀军区以8个团、3个游击支队、2个独立营组成左、右翼队和预备队，于1940年9月22日发起涞（源）灵（丘）战役，对该地区的日军独立混成第2旅和第26师及伪军各一部发动进攻。右翼队重点攻击涞源县城，由于缺乏攻坚器材，日军顽强抵抗，经通宵激战，未能得手。23日，转为攻击涞源外围日军据点。至26日，相继攻占三甲村、东团堡等10余处据点。28日，由张家口增援的日军3000余人进抵涞源城，右翼队遂转移兵力于灵丘、浑源方向，协同左翼队先后攻占了南坡头、抢风岭、青磁窑等日军据点。10月9日，又有大同日军1000余人来援。晋察冀军区遂决定结束涞灵战役。此役共歼灭日伪军1000余人。
第129师以第386旅和决死队第1纵队两个团组成左翼队，以第385旅（附第32团）组成右翼队，发起榆（社）辽（县）战役，向守备榆辽公路的日军独立混成第4旅展开攻击。至30日，左翼队经过艰苦奋战，攻占榆社县城，歼日军400余人。右翼队攻占榆辽公路上的小岭底、石匣等日军据点后，准备协同新编第10旅进攻辽县时，和顺、武乡的日军同时出援，第129师遂决定停止攻城，转移兵力于红崖头、官地垴地区伏击由武乡出援的日军。第385旅在向伏击地域开进途中，与日军援兵600余人遭遇，经15小时激战，日军虽被消灭过半，但余部依托有利地形进行顽抗，双方形成对峙。同时由和顺出援的日军突破新编第10旅狼牙山阻击部队阵地。在这种情况下，第129师遂撤出战斗，榆社复为日军占领。榆辽战役共歼日军近1000人。第129师一部在和（顺）辽（县）公路上的弓家沟设伏，歼灭日军一支运输队，击毁汽车40余辆。
第120师为配合涞灵、榆辽地区的作战，对同蒲铁路北段进行了新的破击，再度切断了该线交通。第129师所属冀南军区以12个团的兵力，对日军正在修筑的德石铁路和邯（郸）济（南）铁路以及一些重要公路线，均进行了破击，共歼日伪军1700余人。晋察冀军区所属冀中军区部队10月1～12日，举行任（丘）河（间）大（城）肃（宁）战役，攻克据点20余处，歼日伪军1500余人，破坏公路150公里。第二阶段作战，八路军攻克日伪军据点多处，平毁了部分封锁沟、墙，打击了伪政权组织，进一步扩大了抗日根据地。
日军遭到八路军连续两个阶段大规模进攻作战的打击后，深感八路军对其威胁的严重性。为稳定局势，巩固占领区，便调集重兵对华北各抗日根据地进行大规模残酷的报复“扫荡”。1940年10月19日，八路军总部下达反“扫荡”作战命令，要求各部队与地方党政机关和广大群众密切配合，广泛开展游击战，坚决消灭进犯之敌，粉碎日军的“扫荡”。
1940年10月6日，沁县、襄垣日军在榆社、辽县日军的配合下，以近万人的兵力，对中共中央北方局、八路军总部等领导机关所在的太行抗日根据地榆社、辽县、武乡、黎城间地区进行连续“扫荡”。1940年10月29日～11月4日，第129师第385、第386旅和新编第10旅主力及决死队第1纵队2个团，在彭德怀直接指挥下，于武乡县关家垴地区，将日军第36师1个营包围，歼其400余人，并给武乡、辽县增援之敌以重大杀伤。日军连遭打击，余部于14日撤退。从11月17日起，日军约7000人“扫荡”太岳区。第129师所属太岳军区将主力编成沁（源）东、沁（源）西两个支队，在游击队和民兵的配合下，活动于沁河两岸，寻机打击日军，至27日，歼日军近300人，迫使其于12月5日撤退。
从1940年10月13日起，日伪军以万余人“扫荡”平西（今北京以西）抗日根据地，1940年11月9日，日军又以万余人“扫荡”北岳抗日根据地，并占领了晋察冀军区领导机关所在地阜平。平西和北岳两区军民，以内外线相配合，广泛开展游击战，连续伏击、袭击日军后方交通线，迫使日军大部撤退。阜平、王快的日军则筑堡修路，企图长期占领。12月3～27日，晋察冀军区以4个团向阜平、王快的日军发动进攻，歼其500余人，迫使日军全部撤出北岳抗日根据地。
1940年12月中旬，日军以2万人的兵力对晋西北抗日根据地进行“扫荡”，至1940年12月23日，占领了除保德、河曲以外的所有县城和大部集镇。第120师部队和晋西北地区群众实行空室清野，坚持“区不离区，县不离县”的游击战。同时，集中部分主力部队，破击日军后方交通线，攻击日军修路部队和运输队，共歼日伪军2500余人，迫使日军于1941年1月下旬全部撤出晋西北抗日根据地。
历时3个半月的百团大战，八路军在地方武装和广大人民群众的紧密配合下，一共进行了1800多次战斗，拔除敌人据点约3000个，击毙击伤日伪军2.58万人，俘虏敌人1.8万多人，并且缴获了大量军用物资。破坏铁路470余公里、公路1500余公里，缴获各种炮50余门、各种枪5800余支（挺）。八路军伤亡1.7万余人。日军在遭受打击后惊呼：“对华北应有再认识”，并从华中正面战场抽调2个师加强华北方面军，对华北各抗日根据地进行更大规模的报复作战。
大战影响
百团大战是抗日战争时期中国共产党与日军正面交锋规模最大的一次战役，中方认为百团大战粉碎了日军的“囚笼政策”，推迟了日军的南进步伐，增强了中国军民取得抗日战争胜利的信心，提高了中国共产党和八路军的声望。
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