8月25日至27日，左縱隊連續出擊，對平山、獲鹿、微水、岩峰之間的公路進行了破擊。
中央縱隊由第一軍分區司令員楊成武指揮，轄第2、第3、第16團，主要負責破襲正太路娘子關至微水段，攻打井陘煤礦。戰鬥打響後，第16團第二營等部接連攻克了地都、北塔、南塔等日軍據點，破壞了日軍占據的兩座橋梁。第2團攻占了驢鐵橋東端的堡壘，還一度占領蔡莊日軍據點。
日軍占據井陘煤礦以後，一直把煤礦作為重要的守備據點。在新礦和舊礦周圍構築了近4米高的圍牆，圍牆上敷設電網。圍牆外架設了鐵絲網，挖了壕溝。圍牆內在不同角落設置了22個堡壘，以便監視全礦區。戰前，中央縱隊按照聶榮臻的指示，派遣小分隊潛入礦區，同煤礦工人接上了關係。在工人的掩護下，第3團指戰員切斷了礦區電源，在暗夜中發起衝擊。
黎明時分，第3團殲滅日軍警備隊一部，第二天下午，全殲敵百餘人，解放工人2300多人，占領了主要礦井。在礦工的幫助下，八路軍炸毀了14台機器、10個鍋爐、5座鐵橋、3座風車、2座煙筒。以及電機房、火車站等礦區的一些重要設施。這次破襲，使日軍損失達1億日元，井陘煤礦半年內無法出煤。
在井陘的破襲戰中，八路軍從戰火中救出了兩個日本小女孩。聶榮臻把這兩個繈褓中的小女孩精心護養，並在不久後讓老鄉把這兩個小女孩送至石家莊，交給日本人。成為二戰中中國人民以德報怨的一段佳話。
劉鄧集團根據八路軍總部的《戰役行動命令》，共組織了10個團另8個獨立營的兵力。經過10多個晝夜的戰鬥，劉鄧所部第129師部隊控製了正太鐵路西段除陽泉、壽陽外的大部分據點和火車站。破壞了大量鐵路，炸毀了一些橋梁和隧道。正太鐵路線上，許多地段被八路軍指戰員夷為平地，被日軍看作是“鋼鐵封鎖線”的正太路，成了一條癱瘓的死路。
大破襲戰開始後，賀龍、關向應集中20個團的兵力，精心指揮，嚴格要求，組織部隊對同蒲路北段和鐵路以西的日偽軍據點和一些主要公路進行破襲。從8月21日零時30分起，在12天的時間裏，在晉西北戰場上，八路軍第120師官兵連續作戰180多次，殲滅日偽軍800多人，攻克了陽方口、康家會、豐潤村等日軍據點，一度切斷了同蒲鐵路北段的日軍交通線，牽製了同蒲鐵路附近的大量日軍，與正太路作戰的晉察冀軍區和第129師互相配合，東西呼應，提高了作戰效果。
正太鐵路線上的日軍遭到八路軍的打擊後，接連數日陷入混亂狀態。當日軍基本查明戰場情況以後，即緊急調動兵力進行反撲。
8月25日，日軍獨立第4、第9旅團，在部署在白晉鐵路、同蒲鐵路南段的第36、第37、第41師團配合下，向第129師反撲。獨立混成第8旅團在與冀中、冀南抽調來的5000日軍的配合下，向晉察冀邊區的部隊反撲。八路軍擔任破襲戰的各部隊，在繼續破襲日軍交通線的同時，抽出兵力對付日軍的反撲。
八路軍總部考慮到，破襲正太路的第一步戰役目標基本實現，於8月26日下達第二步行動方案，要求各部隊乘勝在正太路兩側開展戰鬥，力求收複深入各個根據地內部的某些據點，繼續堅持正太路的遊擊戰。8月31日，八路軍副總司令彭德懷發出繼續擴大戰果的建議電，建議把晉察冀、晉西北、晉冀豫抗日根據地聯成一片。
但此時的日軍利用現代化的交通工具，迅速調整兵力，陸續增援正太路沿線各日軍據點，向八路軍破襲部隊進行反撲。9月初，日軍在正太路東西兩端聚集了2萬多兵力，企圖從東西兩麵對八路軍進行夾擊。日本空軍也連續出擊，支援地麵作戰。
在這種情況下，彭德懷和左權立即調整部署，命令從9月3日起結束正太戰役。各部隊按照26日命令轉移兵力，準備實行第二步作戰計劃。
八路軍在轉移兵力的過程中，又打了一係列勝仗，給日軍以重大打擊。
9月2日，日軍第36、第37師團獨立混成第4、第9旅團共8000多人，向劉鄧所部第129師師部附近的安豐、馬坊進攻。劉伯承集中4個團的兵力抗擊日軍，斃傷日軍200多人，掩護師直機關安全轉移。9月5日，劉伯承又指揮第772、第25、第16、第38團南北進攻，兩路夾擊，消滅日軍第36師團永野大隊從榆次向雙峰鎮進犯之敵400餘人，並擊斃永野大隊長。
晉察冀軍區為配合第129師行動，集中4個團兵力，向正太路北側孟縣地區的日軍出擊。包圍殲滅了從下社向上社據點出逃的日軍。
9月16日，朱德、彭德懷、左權聯名下達了戰役第二階段作戰命令。基本方針是繼續破壞日軍的交通線，摧毀深入抗日根據地內的日偽軍據點。作戰部署和主要任務是：
第120師以截斷同蒲鐵路北段交通為目的，集結主力破擊寧武至軒崗段同蒲路。
晉察冀軍區主要集結主力破襲淶靈公路，奪取淶源、靈丘兩座縣城，並以有力之一部在同蒲路東側配合第120師賀龍所部作戰。
第129師劉鄧所部以收複榆次、遼縣為目的，重點破擊榆次、遼縣公路。並以有力之一部破擊白晉鐵路北段。
冀中、冀南部隊，打擊日寇修築滄石路、石德路、邯清路，集中力量破壞各路段及全線路基。挺進軍應以有力部隊在平漢路北段、平綏路以及北平城郊積極活動。
9月22日，百團大戰第二階段作戰開始。當天，晉察冀軍區部隊發起了淶靈戰役，以5個步兵團、2個遊擊支隊、1個騎兵營、1個特務營共1.5萬人組成右縱隊，由楊成武負責指揮，奪取淶源。以兩個步兵團，1個遊擊支隊共5000人組成左縱隊，擔任右縱隊的掩護，並相機奪取靈丘及其附近據點。以1個步兵團為總預備隊。
右縱隊向淶源發起攻擊後，進展不順，於23日停止攻勢，轉而集中兵力撥除外圍日軍據點，至26日攻克淶源外圍據點10餘處。28日，張家口日軍3000餘人來援，右縱隊乃放棄淶源，改攻靈丘。10月9日，駐大同地區日軍向靈丘地區進犯，晉察冀軍區遂於10月10日結束淶靈戰役。這次戰役雖然未能收複淶源縣城，卻有力地打擊了日軍的有生力量，先後攻克日偽軍據點16處，摧毀碉堡114座，殲滅日偽軍1600多人。