25日，戰鬥已經進入了第6天，瘋狂的敵人從天一亮就出動了20多架飛機，並集中了炮兵火力轟炸獅腦山。大量的炮彈、炸彈飛向八路軍陣地，獅腦山主峰淹沒在濃密的硝煙之中。經過一番狂轟濫炸，日軍以為八路軍已喪失了戰鬥力。他們沒有想到剛衝到我第14團1營陣地前幾十米時，就被戰士們甩出的幾百枚手榴彈炸得血肉橫飛。前麵的敵人被炸倒了，後麵的還想往上衝。這時，1營3連的指揮員喊著：“共產黨員們，抗日英雄們，衝啊，堅決把鬼子壓下去！”便和戰士們一起端著刺刀衝向敵人。瞬間，刀槍的碰擊聲，我軍的喊殺聲，鬼子的嗥叫聲混成一片。有的戰士和鬼子廝打，把鬼子活活掐死；有的戰士的刺刀穿透了鬼子的胸膛，撞在石頭上，把刺刀捅彎了，拔都拔不出來；有的戰士掄起槍托砸向敵人，把自己的虎口都震裂了。這一場血戰一直持續到天黑，直到把敵人趕下山去。此時，我軍在獅腦山上已經苦戰了6晝夜。連日來陰雨連綿，指戰員們整天穿著濕透了的衣衫，戰壕裏泥濘不堪，鞋子上的黃泥粘得有好幾斤重。
當時，由於我軍10萬多兵力集中在正太沿線作戰，糧食供應非常困難。堅守獅腦山的八路軍戰士開始還能吃到一點黑豆，以後黑豆也吃不上了，隻能吃豆角、南瓜做的菜湯。還有連菜湯也喝不上的時候，隻能啃未成熟的苞米和野菜。就是在這樣艱苦的條件下，八路軍指戰員們仍堅守著獅腦山陣地。直到8月26日，勝利完成任務後，部隊才全部撤離獅腦山。八路軍第385旅順利完成了阻擊的任務，為保證百團大戰第一階段的勝利起到了至關重要的作用。
從戰鬥打響那天起，八路軍總部曾連續4天發布《捷報》，向全國介紹獅腦山的戰況。總部首長和第129師首長對獅腦山阻擊戰也給予了很高的評價。彭德懷副總司令在百團大戰第一階段的總結中表揚說：“守衛獅腦山的部隊英勇頑強。”第129師李達參謀長讚揚說：“守衛獅腦山的部隊發揚勇敢戰鬥的作風，憑險阻擊，頑強戰鬥，他們打退敵人一次又一次的攻擊，給敵以重大殺傷……有力地保障了左翼部隊的行動，這個戰鬥不僅說明我軍攻如猛虎，而且守如泰山，大殺了‘赫赫皇軍’的威風。”而日本防衛廳在《華北治安戰》一書中卻這樣記述道：“占領廟高地的共軍，從高地上用日本話一麵高喊‘投降吧！不投降就全部消滅！’一麵進行攻擊。對此，日軍方麵雖然采取了局部反攻，但隻有付出傷亡並未成功。在陽泉的日僑（約500人）中，已經認定絕望，甚至出現了穿好衣服準備就難的景象”。
從8月20日晚戰役開始至26日，我軍留守部隊撤出獅腦山，共計7天的時間裏，除前記述的娘子關爭奪戰和獅腦山阻擊戰以外，在陽泉境內還進行過10幾次較大的戰鬥，它們分別是：
桑掌戰鬥：桑掌據點是敵人重點中的核心據點，該處有一個大橋，是正太路上數一數二的，它橫跨桃河上。“保橋如保命！”這是敵人提出的口號。我軍針鋒相對，提出：“摧垮桑掌橋，全殲頑敵！”而摧毀正太路必先摧毀正太路的脊椎骨——桑掌橋。20日22時，當八路軍129師新10旅30團的1個營，由旅長範子俠帶領，在桑掌橋打響第一槍的時候，酣睡的敵兵以為又是遊擊隊來了，不慌不忙地還擊著。這時，我炮兵班的老山炮、機關炮齊鳴，敵人才慌亂起來。4連突擊班在連長王文興的率領下，已巧妙地攻入大橋之下，隻聽“轟”一聲巨響，鐵軌、枕木飛起四五丈高，路基碎石飛出數裏之外，這個21孔的桑掌大橋從中而斷。巨響之後，我軍又3次向敵據點發起衝鋒，經過半小時的激戰，守敵全部被消滅。桑掌握在我軍手中，使各據點之敵無法互相支援策應，都陷入孤立，首先完成了破襲正太鐵路的第一步。
燕子溝戰鬥：燕子溝在陽泉西麵，該處有兩座鐵路橋，這是我們破擊的重點之一。20日夜，大戰發起後，我新10旅30團一個連向該據點守敵發起進攻，在民兵的配合下，以最快的速度，把兩座鐵橋全部炸飛，還燒毀了道木，抬走了鐵軌。戰鬥一直到21日，我軍全殲守敵，占領了敵據點。
冶西戰鬥：冶西敵據點是正太路的外圍據點，駐紮著守敵230人，並配有曲射炮1門、機槍3挺，擲彈筒2個。由八路軍129師386旅772團和平（定）西縣武裝自衛隊一部，為配合正太路的破襲戰，於8月21日夜襲擊冶西據點，據點守敵憑借險要地形負隅頑抗。772團指戰員在猛烈炮火的掩護下，幾經衝鋒和白刃格鬥，戰鬥持續了4天4夜，於25日下午4時，攻克了最後一個碉堡。此役共斃敵160人，其餘敵人逃回了平定縣城。
狼峪戰鬥：狼峪為正太路上一個重要據點，負責攻取這個據點的是我新10旅28團一部。8月20日22時發起進攻後，因敵人占據了有利地形頑抗死守，未能攻下。21日，我軍分析了敵情後，改變了攻擊戰術和路線，再次向守敵攻擊，敵百餘人退守碉堡並放毒氣。激戰3小時，終將據點攻克，守敵大部被殲，為破擊鐵路掃清了道路。並繳獲步槍40餘支，輕機槍一挺，糧食萬餘斤。
坡頭戰鬥：坡頭在陽泉西麵，是敵人據守的重點車站之一。在冶西戰鬥結束後，敵人為支援獅腦山守敵，片山旅團司令部命令坡頭守敵全力頑固死守。我新10旅30團和平定（西）縣自衛隊及民兵於21日夜以1個營的兵力向坡頭車站發起攻擊，在炮火掩護下，激戰6小時，車站被占領，站長當場被擊斃，斃敵14人，俘偽軍18人、日軍10餘人，繳獲火車1列，車頭2個，車皮10輛，繳獲擲彈筒2個、輕機槍20挺，步槍50支，子彈7箱。打亂了陽泉敵人西進支援獅腦山之計劃。
移穰戰鬥：21日晚，晉察冀軍區19團兩個連冒雨攻入移穰車站，因副營長負重傷，敵發起反複衝鋒，逐退出。23日晚，我19團又複攻，將該站水塔炸毀，並破壞了鐵路，移穰至亂流間電線全部被破壞。25日晨，車站完全被我軍占領，守敵40餘人被消滅。並將附近大小3座鐵路橋、水塔及其他建築物徹底炸毀。還破壞鐵路200米，將鐵軌、枕木投入桃河，收割電線4000餘斤。
賽魚戰鬥：22日16時，八路軍129師30團攻占賽魚車站，消滅守敵40餘人。沿線鐵路被挖斷、將枕木放火焚燒，到處都燃起了熊熊烈火。此戰斃敵宣撫官2人，生俘日偽軍各3人，繳獲步槍18支，手槍4支，鐵甲車皮5輛。至23日，賽魚至芹泉段50餘裏鐵路，均被徹底破壞。
測石戰鬥：測石車站是正太路的二等大站。23日黃昏，測石站已被圍困了兩天兩夜，當範子俠旅長率領一隊戰士身著日本軍服在測石山腳處出現，並搖旗高呼時，測石車站的日軍守備隊以為是援兵到來，頓時喜出望外，列隊歡迎。當八路軍戰士行進到跟前時，噠！噠！噠！一陣猛烈的掃射，敵人後悔已遲，戰士們乘勢衝進堡壘群內，殺的敵兵措手不及。不到半小時結束戰鬥，全殲頑敵，測石車站被智取而得。
在八路軍與日軍激戰陽泉的同時，陽泉周邊地區也在展開激烈的戰鬥，現將主要戰況介紹如下：
井陘煤礦戰鬥：井陘煤礦位於正太鐵路以北，滹沱河以南，東靠微水、獲鹿，西鄰娘子關，日產原煤6000噸。該礦是日本侵略者在華北開發的重要軍事資源之一，除了供給華北日軍的全部需用之外，由於煤質優良，大部運往日本，提煉煤油。井陘煤礦有東王舍、崗頭和橫山三個礦區，日軍在其周圍都挖了外壕，架設了鐵絲網，並在鐵絲網內修了3米多高的圍牆，牆上安裝了電網。礦區裏外構築了10多個碉堡和炮樓，還配備了1個步兵中隊的兵力日夜防守。
百團大戰中，晉察冀軍區將破壞井陘煤礦的任務交給了中央縱隊的第3團。8月20日晚10時整，攻擊開始。1營3連的戰士在煤礦工人的指引下，抬著長梯爬上電線杆，剪斷了輸電線路，耀眼的電燈頓時熄滅，整個礦區一片漆黑。熄燈就是命令。1營賴慶堯營長大吼一聲：“衝啊！”2連指戰員快速越過外壕、鐵絲網，逼近電網的高牆。剛剛入睡的日本兵，被八路軍的槍聲和手榴彈爆炸聲嚇得不知所措，慌慌張張從床上爬起來，有的迷迷糊糊朝衝過來的八路軍戰士問口令，有的赤身裸體竄出房子，盲目地朝四下放槍。2連戰士用籃球膽裹著雙手，舉起鍘刀砍斷電網，再架上門板，翻過高牆，衝進了礦區。初戰比較順利，不到15分鍾，就拿下了兩個碉堡。
與此同時，隱蔽在東王舍村的4連也衝進礦區，接連攻下了3個碉堡。最後還剩下新礦的中心碉堡，高10餘米，易守難攻。二班戰士吳鴻奚第一個撲上去，掄起鍘刀左右開弓，幾下砍斷鐵絲網，劈開了通道。然而，就在他砍斷鐵絲網的同時，從碉堡中飛出的一顆子彈打中了吳鴻奚腰間的手榴彈，隨著“轟”的一聲響，吳鴻奚倒在血泊中。碉堡裏的機槍還在不停地掃射，幾個戰士又倒了下去。戰士們向碉堡發動更加猛烈的攻擊，但都未奏效，4連傷亡很大。黎明時分，完成牽製任務的3連在連長沈萬玉的帶領下趕來參加攻打中心碉堡的戰鬥。在得到營長賴慶堯的同意後，以強大的火力為掩護，沈萬玉連長帶領爆破隊冒死衝鋒，戰士們前仆後繼，終於接近了碉堡，用炸藥炸裂了碉牆，衝進堡內，與日軍展開肉搏戰，激戰至天色大亮，將殘敵全部殲滅，這個最頑固的堡壘終於拿了下來。
在礦工們的幫助下，戰士們將能夠搬走的炸藥、槍彈等物品悉數運走，其餘大量設施設備被徹底燒毀或炸毀。被解救的煤礦工人、青壯年踴躍參加了八路軍，老弱和眷屬也紛紛離開了井陘。
就在1營占領井陘新礦的同時，2營也拿下了賈莊炮樓。攻打崗頭老礦的3營雖經奮勇衝殺，但因下起瓢潑大雨，日軍憑借堡壘工事頑強抵抗，老礦始終未能攻下。破擊行動一直持續到24日，井陘煤礦遭到嚴重破壞，使日本侵略者損失極大。
蘆家莊戰鬥：8月20日20時，我左翼隊之第16團五個連以兩個連越河襲奪蘆家莊車站以北之碉堡，爾後再占領蘆家莊，由東向西攻擊車站。另以三個連攻奪車站以南500米遠處之碉堡（兩個），爾後由東南向西北車站攻擊。戰鬥開始後約30分鍾，4個碉堡全部為我占領，建公大鐵橋全部炸毀守敵大部為我消滅，僅剩殘敵12人向西潰退，被我預占蘆家莊之兩個連迎頭，敵複轉向東竄，又與我攻車站之營遭遇，該敵視無法逃走，就占領車站高房死守頑抗，當時未攻下。此時，該團向榆次方向遊擊之兩個連配合工兵，已將蘆家莊至段廷鐵橋（除段廷鐵橋外）全部炸毀。次日拂曉時，我又向蘆家莊實行火攻，並以炮火猛轟，當時敵人非常恐慌，所有火藥及汽油庫均中彈著火，但當時因我部隊聯絡不夠，又加21日夜天落大雨，河水猛漲不能徒涉（22日、23日兩天大雨未停）。蘆家莊又增敵400餘，因此，該處殘敵未能全部消滅，甚為可惜！
上湖戰鬥：我38團主襲上湖之兩個營，以一個營為預備隊，以一個營於21日3時開始攻擊，戰鬥約半小時，將車站之敵全部消滅。但東南之碉堡，當時未攻下。21日，我又集中該營，在火力掩護下繼續向碉堡之敵攻擊，住在山頂上的偽軍家屬們聽到槍炮聲，急忙跑出來叫他們的兒子回家。在堡壘裏抵抗的偽軍，聽到他們的親人在呼喊自己，有的停了火，有的拖著槍向我軍跑過來，剩下的敵人集中在堡壘裏，企圖做最後的掙紮。這時，我軍把炮頭調到離敵人70公尺處，兩發炮彈就將其工事摧毀，我軍完全占領了上湖。