1940年8月20日至12月5日，八路军在华北发动了百团大战，目的之一是要打破日本在华北加紧推行的治安肃正计划和以铁路为主、公路为链、碉堡为锁的囚笼政策。外加当时日军散布8月进攻西安的传言，也增加了中共方面对国民党在日军压力下妥协的担心和忧虑。

国民党称“八路军游而不击”，“专打友军，不打日军”，与中共敌后武装的冲突与日俱增，而日军依靠据点到处抢掠，实行残酷的烧光、杀光、抢光的“三光”政策，造成大片抗日根据地变成了游击区，民众受到日军的掠夺后，还要在财力上支持八路军，负担过于沉重。

1940年7月，中共中央提出要克服空前的投降危机和面临的困难。7月22日，八路军总部制定了在华北开展交通大破袭战的计划，8月8日下达行动命令。具体部署是：晋察冀军区部队破坏正太铁路东段的石家庄至阳泉段，第一二九师破坏榆次到阳泉段，第一二〇师破袭忻县以北的同蒲铁路和汾阳离石公路。

这次作战最初叫正太铁路破击战。正太铁路是进攻的重点，这条路通过太行山，全长230多公里，大部分路段处于两山或峡谷之间，桥梁、涵洞极多，它连接平汉铁路与同蒲铁路，是华北日军重要的战略运输线。

战役发起后，八路军共计投入了105个团，27万多兵力，于是便改称为百团大战。而在作战地区的日军也有20多万人，另外还有15万多伪军。

8月20日晚上8点，八路军在副总指挥彭德怀的指挥下开始发起总攻。首先以正太铁路为攻击重点，还有平汉铁路、同蒲路北段和白晋路。随后开始向日军各交通线进攻。

晋察冀军区出动近20个团的兵力组成左、中、右3个纵队，冒雨穿过山间公路，隐蔽于攻击阵地。由于战前准备充分，加上青纱帐旺盛便于掩蔽，日军完全没有发觉到八路军的行动。

攻击开始后，整个正太铁路处于军民的破袭火海中。晋察冀右纵队两个团的主攻目标是娘子关，它是晋冀两省的交界要区与正太铁路的咽喉地段。他们先潜入娘子关下的村庄中消灭了伪军，然后全力攻击娘子关上的日军据点。

攻关部队前赴后继，向娘子关仰攻，架起的云梯被炮火打断就搭人梯上，但在日军优势火力下造成了较大伤亡，未能取得进展。娘子关正面受阻后，另一团八路军则从娘子关后侧接近日军碉堡群，发起猛攻，日军遭受突然的打击，慌忙反扑。进攻部队趁机用手榴弹、手雷及爆破筒将碉堡一个个炸毁，经过3个小时的激战终于占领了娘子关山头，黎明时分，将胜利的红旗插在了丢失3年的娘子关上。

八路军的3个团重点攻击了井陉煤矿，得到了矿工的协助，切断了矿区的电源线，将矿区内的日军全部消灭，然后对厂房矿区进行了彻底的破坏，使矿区半年内都无法恢复生产。

在这次战斗中，八路军战士在战火中救出了两个日本小女孩，聂荣臻司令员批示由专人照顾，随后将其送往井陉城内的日军据点，并附信一封，斥责日军侵华造成的灾难，八路军的战斗力和人道主义精神引起了日军内部的震动。

晋察冀边区的冀东、北岳及冀中区军队攻击了周围的日军据点，动员了10多万群众破坏平汉、津浦、德石、北宁等铁路及附近的公路，破坏了正定以北的铁桥。日军一个月后才修复通车。

晋察冀军区迅速将主力由正太铁路线北调，进攻涞源、灵丘一带。这里驻有日军1500多人和伪军1000多人。军区以主力进攻涞源，以一部分阻击从灵丘等方向增援的日军。9月22日，八路军发起进攻，但该地日军已有警觉，各据点增加了兵力，加固了工事。一夜激战后，八路军仅攻占了东、西、南城关。

八路军决定以一部分监视涞源日军，而以主力扫清涞源周边的日军据点。他们先消灭了三甲村日军80多人，然后集中力量攻击日军重要据点东团堡，这里是日军后勤供应站和分割晋察冀边区的战略据点。以上下三层碉堡、地堡、围墙、外壕、铁丝网等构成坚固的环形工事，由日军独立混成第二旅团的士官学校数百名小队长和日军170多人把守。八路军夜间开始攻击，突破了日军据点外围，日军以探照灯照亮四周，用火力组织封锁线，并不断组织反击，双方展开了白刃战，日军大部被歼。残余的日军进入了最后一个堡垒，陷入绝境。负责指挥的井田中佐见大势已去，下令将武器弹药、物资等堆在一起用汽油点燃焚毁，他和残存的27人跳进火中自焚。涞源、灵丘之战进行了18天，日伪军死伤1000多人。

百团大战中，八路军一度收复了40多个县城，最后巩固了20多个县城。百团大战减轻了正面战场的压力，使得八路军各部能在被分割的各大区域内和碉堡密布的情况下统一行动，显示了惊人的战斗力。日军虽然未轻视八路军，但也没有想到八路军的力量如此强大。日军对八路军力量的新认识，使得他们对中共动员民众参加抗日的特殊能力感到惴惴不安，立即从华中地区调兵至华北加强扫荡。

百团大战鼓舞了困难中的中国军民，全国报刊争相登载百团大战的消息。《力报》写道：“华北我军出击之日，正是敌机170架狂炸我陪都，市区大火，精华悉付一炬之时。我军以胜利的出击回答日寇之残暴兽行，为被难同胞雪恨。坚定了全国的抗战意志，而使一般动摇妥协分子无从其逞。”1941年，日本陆相东条英机对1940年的中日战局进行了评论，称1940年“重庆敌军抗战之特色为作战非常消极，迄今未进行主力反攻，只有共产党军队于去年8月华北进行过规模反攻，与之比较，蒋介石嫡系及旁系部队始终采取守势”。这从反面证明了百团大战的巨大影响。

百团大战中，八路军几乎动员了所有的主力部队，在辽阔的华北地区与20多万日军激战100多天，尤其是在攻坚战斗中，八路军付出了相当的伤亡的代价。第一二九师在战事后期损失尤其大，造成对日军随后更大规模的扫荡难以给予有力的回击，使华北根据地受到重大损失，面临严重困难。