按照八路军总部确定的战役方针和部署，第一二零师在贺龙、关向应的指挥下，自1940年8月20日开始，以同蒲铁路大同至太原段和忻（县）静（乐）公路为重点，向日伪军展开了大规模的破袭行动。
8月20日至21日，第一二零师切断了忻静公路；破袭了同蒲铁路宁武至原平段10余公里，毁桥7座，收电线2500余公斤；袭击了忻县以西潘村据点，毙日军10余名，砍断电线杆100余根，收电线75公斤；袭击了千索据点，毙日军10余人，俘伪军4人，并破袭厮索至奇村公路1公里，毁木桥1座，收电线50余公斤；袭击了峪盟、南熟、北贾村据点，毙日军30余人；进袭了五寨城，打退了日军200余人的增援，在城西北石俘头地区设伏，击毙日军40余人，并破袭五寨至宁武公路15公里；在尖神头附近，打退了由离石东吴城镇南犯的300余日军，毙日军30余人；在800余名群众配合下，破袭大武至离石公路20公里，收割大武至峪庭电线5公里多。第一二零师伤团长1人，另伤亡50余人。
日本战史写道：担任同蒲铁路北段及其以西地区警备的日军独立混成第九旅团，“从20日半夜，虽击退前来急袭的八路军第一二零师主力，但铁路遭到严重破坏”。其“独立步兵第三十九大队担任忻县至静乐道路地区的警备，自20日半夜遭到优势共军的攻击而连续激战。但因是山地，据点相互呼应和增援极为困难，静乐地区的一部分暂时被共军占领”。
从8月23日起，晋绥地区日伪军开始反扑。第一二零师在天王塔和鱼春屹打退了宁武西南宁化堡1000余日军的进犯，毙敌70余人；在陶林附近击溃日军100余人，毙敌50余人，缴步枪30余枝、战马20余匹。第一二零师伤亡127人。24日，破袭同蒲铁路忻县至平社段1公里，袭击日军火车1列，炸毁火车头1节，毙日军30余人，缴获各种枪7枝，并中断铁路交通；攻克静乐以南羊勉村据点，并两次打退在数架飞机掩护下由静乐增援之日军，毙敌100余人，缴枪20余枝；一部一度攻入五寨南关，破坏五寨至宁武公路5公里，毙日军100余人，缴手枪1枝；在察素齐以北古城附近伏击日军，毙敌60余人，俘伪军11人，缴获长短枪20枝。第一二零师伤亡150余人。25日，暂编第一师主动袭击了三井镇东南阉家平据点，毙日军20余人，并在五寨附近收电线500余公斤、铁丝网250余公斤。
8月26日，八路军总部在调整战役部署的指示中要求：“贺集团应以适当兵力乘胜拔除根据地腹地之若干据点；另应以九个团之兵力继续开展忻县、太原段同蒲线及太原交城地区工作，打通与边区与晋东南之交通路。”
此后，第一二零师在以一部继续破袭同蒲路北段的同时，大力主动出击位于晋西北抗日根据地和大青山抗日游击根据地内及周围的日伪军据点。该师一部在1000余名群众的配合下，破袭了交城至开栅间公路约15公里及高白至东社公路，烧毁桥梁1座、汽车2辆，收电线150公斤，毙日军20余名；1个团在700余群众的配合下，继续破袭同蒲路北段宁武至轩岗间6公里，破坏铁轨400余根，烧毁枕木2000余根。27日，该部击溃由宁武的东寨镇出发修路的日伪军200余人，毙日军10余人，俘伪军3人，解放修路工人40余名。29日，暂编第一师一部在群众1000余人的配合下，彻底破袭了五寨至岢岚公路，收电线150公斤。30日夜，雁北支队袭击了冲桥，毙日军30余人，并破坏界河口公路1公里，收电线100余公斤；独立第一旅一部袭击了岢岚以南寨子村和普明镇据点，毙日军50余人。该旅伤亡排长以下22人。
从9月起，第一二零师向正面日伪军连续发动了更为猛烈的攻势。自9月1日至6日，决死第四纵队先后破袭了清源至寰丰村、交城至开栅、文水至仁岩公路20余公里，破坏木桥、石桥7座，砍电线杆200余根，收电线300余公斤，缴步枪5枝，毙伤日军110余人。该纵队伤亡连长、指导员以下20余人。工卫旅于9月2日在马丁村西北地区包围了由汾阳东北仁岩村进犯的日军150余人，毙敌50余人，缴获汽车1辆、山炮1门、炮弹50余发。独立第一旅一部于9月3日收回岚县南杞村至寨子、普明电线500余公斤。第三五八旅一部击溃由五寨北八角堡进犯石山村的日军200余人，毙其30余人，该旅伤连长以下10余人。大青山支队一部于9月5日在归绥东南中段伏击日军由旗下营的运粮车50余辆，毁车2辆，毙日军30余人。9月6日晚，破坏、收割毕克齐至察素齐电线250公斤。第三五九旅一部于9月8日在柳家庄与向柳林进犯的日军1000余人激战竟日，毙伤日军100余人，该旅伤亡20余人。独立第一旅第二团于9月9日在岚县南七马铺与日军300余人遭遇，激战5小时，毙日军110余人，该团伤亡连指导员以下60余人；9月10日，破袭岚县至偿子村公路5公里，收电线200余公斤。暂编第一师也破袭了神池以西义井至八角堡公路，击溃进犯日军100余人，毙其10余人，收电线200余公斤。
至此，第一二零师破袭了同蒲铁路宁武至原平，忻县至平社段和五寨至宁武、岢岚，忻（口）静（乐），大武至离石，交城至开栅，文水至仁岩，神池义井至八角堡等公路，一度中断了这些铁路和公路的运输，加上电话等通讯联络失灵，晋绥地区的日伪军陷于混乱。