1940年7月22日，八路軍總部向晉察冀軍區、第129師、第120師下達了《戰役預備命令》，同時上報中共中央軍委。
《命令》指出：“由於國際形勢的變動，我西南國際交通路被截斷，國內困難增加……我軍應以積極的行動在華北戰場上開展較大勝利的戰鬥，破壞敵人進攻西北計劃，創立顯著的戰績，影響全國的抗戰局勢，興奮抗戰的軍民，爭取時局好轉，這是目前嚴重的政治任務。”“為打擊敵之‘囚籠政策’，打破進犯西安之企圖，爭取華北戰局更有利的發展，決定趁目前青紗帳與雨季時節，敵對晉察冀、晉西北及晉東南掃蕩較為緩和，正太沿線較為空虛的有利時機，大舉破擊正太路。”
戰役目的，以徹底破壞正太路若幹要隘，消滅部分敵人，收複若幹重要關隘據點，較長時期的截斷該線交通，並乘勝擴大，拔除該線南北地區若幹據點，開展該路沿線兩側工作，基本是截斷該線交通為目的。同時，對其他重要鐵路，特別是平漢、同蒲鐵路，應組織有計劃的總破襲，以配合正太路破襲戰的行動。
8月8日，八路軍總部下達了《戰役行動命令》和《關於百團大戰破壞戰術之一般指示》，對作戰兵力做出了具體的部署。戰役統一由八路軍總部指揮，發起時間為8月20日。中心任務是破壞日軍在華北所占領的主要交通線，重點是正太鐵路。因為切斷該路，即可以使日軍在山西的一切運輸補給失去保障，對八路軍來說，有利於將太行、晉察冀邊區這兩大區域基本連成一片。
《命令》規定，直接參加正太線作戰的總兵力應不少於22個團，要求晉察冀軍區派出10個團，第129師派出8個團，第120師派出4至6個團，總部炮兵團大部、工兵一部也參戰。在其他鐵路配合作戰的兵力，由各區自行安排。預備命令要求八路軍參戰部隊於8月10日前完成戰役的各項準備。
命令下達後，晉察冀軍區、第129師、第120師立即進行戰前準備、偵察敵情、訓練部隊等。華北各抗日根據地政府也動員與組織群眾，做支前準備。
確定的戰役部署及其作戰地域如下：晉察冀軍區以主力10個團破壞正太鐵路陽泉至石家莊段，重點破壞娘子關、平定段；對邊區周圍的北寧、津浦、德石、滄石、平漢等鐵路，應同時分派足夠部隊破襲之，阻擊可能向正太鐵路增援之敵。第129師以主力8個團，附總部炮兵團1個營，破擊陽泉至榆次段，重點破壞陽泉、張淨段；對根據地周圍的平漢、德石、同蒲、白晉鐵路及邯大、臨屯公路，應同時分派足夠部隊破襲，對平遼公路應派有力部隊積極活動。第120師應破襲平遙以北同蒲鐵路及汾離公路，破襲同蒲鐵路部署應以重兵置於陽曲南北，阻敵向正太路增援，並力求以約2個團進至榆次南北地區，配合第129師作戰。對晉西北腹地內各個敵據點與交通線，應分派部隊積極破襲。總部特務團集結於下良、西營地區待命。