1940年夏秋，日本帝国主义在德国法西斯军队横扫西、北欧，取得暂时胜利的刺激下，决心乘美国的战备尚未完成，英国在欧战中遭受严重失败而无力东顾之机，“迅速解决中国事变，同时抓住有利时机解决南方问题”。“集中运用政略战略的综合力量，特别要彻底杜绝第三国的援蒋行为，采取一切手段，务使重庆政权早日屈服”，以便早日结束侵华战争，准备发动太平洋战争。为此，日军在华北地区加紧推行“治安肃正”计划和“以铁路力柱，公路为链，碉堡为锁”的“囚笼”政策；在华中攻占襄樊、宜昌，加强对重庆等地的空袭；在西南迫使英、法封闭了从越南、缅甸通往中国云南的国际公路，切断了经西南的国际援助；并扬言要“南取昆明，中攻重庆，北犯西安”，以军事压力配合政治诱降，企图迫使国民政府屈服。
日军全面加强对中国的经济封锁，军事进攻和政治诱降，给中国抗战增加了更大的困难，国民党内的一些人更加动摇，妥协投降危机空前严重。
为粉碎日军对华北的全面进攻，打击其“囚笼”政策，争取华北战局更有利地发展，并影响全国的抗战局势，克服国民党投降的危险，八路军总部决定发动一次以破击正太路为中心的对华北日军交通线的大规模进攻战役。由于战役发起第3天，八路军参战部队迅速增至105个团，故称“百团大战”。
正太铁路，从河北石家庄到山西太原，全长200余公里，横员太行山脉，把巍巍太行劈为两截。它是日军连接山西、河北的重要交通命脉，也是日军施行“囚笼”政策的重要支柱之一。日军在铁路沿线大小城镇、车站和桥梁、隧道附近，均筑有坚固据点，各以数十人至数百人守备，并经常派装甲列车进行巡逻。铁路两侧10至15公里的要点，还筑有一线外围据点。日军自诩正太铁路是一条“钢铁封锁线”。日军以此隔绝八路军总部、第129师活动的太行抗日根据地与晋察冀抗日根据地的联系，并以此为依托，进攻抗日根据地。
1940年7月22日，八路军总部向晋享冀军区、第129师、第120师下达关于以破击正大路为中心的《战役预备命令》，并上报中共中央军委。《命令》在分析了国内外形势的变化后指出：八路军应以积极的行动在华北战场开展较大胜利的战斗，破坏日军进攻西北的计划，创造显著战绩，影响全国的抗战局势，兴奋抗战军民，争取时局好转。这是严重的政治任务。为打击“囚笼”政策，打破日军进犯西安的企图，争取华北战局更有利的发展，决定趁目前青纱帐与雨季时节，日军对晋察冀、晋西北及晋东南“扫荡”较为缓和，正大路沿线较为空虚的有利时机，大学破击正太路。同时，对其他重要铁路，特别是平汉、同蒲路，应组织有计划的总破袭，以配合正大路破击战的行动，规定直接参加正太路作战的总兵力应不少于22个团，要求晋察冀军区派出10个团，第129师派出8个团，第120师派出4至6个团。总部炮兵团大部、工兵一部也参战，在其他铁路线配合作战的兵力，由各集团自行安排。
8月8日，八路军总部下达《战役行动命令》，确定了战役部署和作战地域；晋察冀军区以主力10个团破击正太路平定（不含）至石家庄段，重点破击娘子关至平定段；对边区周围的北宁、津浦，德石、沧石、平汉等铁路，应同时分派足够部队破击之，阻击可能向正太路增援之敌。第129师以主力8个团，附总部炮兵团1个营，破击平定（含）至榆次段，重点破击阳泉至张净段；对根据地周围的平汉、德石、同蒲、白晋路及邯大、临屯公路，应同时分派足够部队破击之；对平辽公路应派有力部队积极活动，第120师以4至6个团破击平遥以北之同蒲路及汾离公路；破击同蒲路部署应以主要乒力置于阳曲南北地区，阻敌向正太路增援，并力求以约2个团进至榆次南北地区，配合第129师作战；对晋西北腹地内各个敌据点及交通线，应分派部队积极破袭。总部特务团集结于下良，西营地区待命，战役统一由八路军总部指挥。战役发起时间为8月20日。
战役首先从正太路发起，尔后迅速扩展到除山东以外的整个华北地区和主要交通线，其中包括：冀察全境、晋绥大部和热河南部地区；正太、平古路全线，安阳以北之平汉路，德州以北之津浦路，临汾以北之同蒲路，归绥以东之平绥路，北宁路之山海关至北平段，白晋路之平遥至壶关段，以及正在修筑的德石路、沧石公路等。在这些地区和交通线，驻有日军3个师团及另2个帅团的各2个联队，5个独立混成旅团及另4个独立混成旅团的各2个大队，1个骑兵旅团的2个大队，共20余万人，飞机约150架，另有伪军约1.4万人。其中驻正大路沿线及其附近地区的有独立混成第4旅团（驻娘子关及其以西，司令部驻阳泉）、第8旅团（驻娘子关以东，司令部驻石家庄）、第9旅团（驻太原附近地区）。八路军参战兵力，计晋察冀军区39个团，第120师（含决死第2、第4纵队）20个团，第129师（含决死第1、第3纵队）46个团，共计105个团，20余万人。此外，尚有许多地方游击队和民兵参加作战。
百团大战经历了两个主动进攻阶段和一个反“扫荡”阶段。
战役第一阶段（8月20日至9月10日），中心任务是破击日军交通线，重点摧毁正太铁路。
8月20日夜，正太路破击战全面展开。八路军参战部队避开日军的外围据点，直接隐蔽运动到正太路两侧，突然发起全线攻击。日军事前毫无察觉，措手不及，一时全线被动。
晋察冀军区在司令员兼政治委员聂荣臻指挥下，以8个步兵团、1个骑兵团又2个骑兵营、3个炮兵连、1个工兵连和5个游击支队，组成3支主力纵队（即右纵队、中央纵队、左纵队）、1支钳制部队和总预备队，担负正大路作战任务，破击正太路之阳泉至石家庄段，同时，对平汉路高碑店至石家庄（不含）段、北宁路北平至山海关段、津浦路泊头镇至唐官屯段及沧石公路等，也作了相应部署，要求必须切断上述日军交通线，保证主攻方面作战的顺利进行，此外，还部署第2、第5，第8军分区部队，分别在同蒲路北段、雁北地区及津浦路沿线进行钳制活动，晋察冀军区右纵队（辖第5、第19团）负责破击正太路娘子关至乱柳段。20日至27日，该纵队两度攻占娘子关、两次攻入磨河滩、移穰车站，并攻入巨城，炸毁了岩会附近的9孔大石桥、移穰东面的8孔石桥以及程家陇底、西武庄间的石桥，烧毁程家陇底以东木桥。中央纵队（辖第2、第3、第16团）负责破击正太路娘子关（不含）至微水段和井陉煤矿。20日夜，该纵队对井陉煤矿的岗头老矿和东王舍新矿同时发起攻击，在矿工帮助下，切断电源，迅速攻入新矿，第2天下午全歼守敌，并对煤矿进行破坏，使其半年以上不能恢复生产。同时，攻占贾庄、南正、蔡庄、地都，攻入北峪，南峪等日军据点，并破坏了南正至微水间铁路，炸毁乏驴岭铁桥及北峪石桥。左纵队（辖冀中警备旅第2团、军区特务团、平井茯支队）负责破击微水至石家庄段。20日夜，该纵队攻击岩峰，爆破铁路；破坏岩峰至威州电线、公路。22日夜，攻击上安车站。23日夜，攻击头泉车站。随后撤出铁路沿线，25日至27日，破击平山、获鹿、微水、岩峰间公路。
第129师在师长刘伯承、政治委员邓小平指挥下，以10个步兵团、3个独立营、4个工兵连，分别组成左翼破击队、右翼破击队、平和支队和总预备队（即中央纵队），担负正太路西段的破击任务，另以28个团及广大地方武装分别从冀南、太行、太岳向平汉、白晋、同蒲路和邯长公路等进行广泛的破击，策应正太战役。第129师左翼破击队（辖第386旅第16团、决死第1纵队第38、第25团等部）负责破击正太路寿阳至榆次段，曾攻入芦家庄车站，连克碉堡4座，将守敌大部歼灭，炸毁了芦家庄至段廷之间的所有桥梁，并攻占了上湖、和尚足、马首车站。右翼破击队（辖新编第10旅第28、第30团等）任务是破击正太路阳泉至寿阳段。20日晚至23日，攻克桑掌、燕子沟、狼峪、芹泉、坡头、辛庄、寨鱼、铁炉沟、小庄、张庄等车站、据点。总预备队（辖第385旅第769、第14团、第386旅第772团）于22日和25日两次强袭平定西南冶西之敌，占领冶西，将落摩寺日军围困10天，到8月31日将其全歼。为掩护师主力破击作战，战役开始时，总预备队第14团即占领狮垴山。狮垴山位于阳泉西南4公里处，占领该地可以控制阳泉以西十几公里的铁路线，对阳泉构成严重威胁。日军独立混成第4旅团为挽救其守备部队被各个歼灭的命运，扭转阳泉的被动局面，集中阳泉日军，并武装日本侨民，共数百人，连日猛攻狮垴山。至26日，第14团在坚守6昼夜，歼敌400余人之后，主动撤出狮垴山主峰。
第120师在师长贺龙、政治委员关向应指挥下，以2个步兵团破击同蒲路忻县至宁武段和忻（县）静（乐）公路，以3个步兵团破击同蒲路宁武至朔县段，以3个步兵团破击神他至五寨间公路，以1个步兵团围困岚县地区之敌，以1个步兵团围困离石以北地区之敌、以9个步兵团破击太（原）汾（阳）公路和汾离公路，以1个步兵团在离石、军渡间打击敌人。至8月31日，先后攻克北龙泉，康家会、丰润村、阳方口等据点，切断同蒲路北段和忻静，汾离、太汾等公路。
在破击正太路、同蒲路的同时，八路军在地方游击队和民兵配合下，对华北其他各主要铁路、公路，进行了广泛的破击，并攻克一些据点，歼灭部分敌人。北岳各军分区部队破击了平汉路北段及边区周围日军据点，冀中区动员10万以上群众，配合八路军部队对平汉，津浦、德石、北宁等铁路线及境内公路进行了反复的破击；冀东地区军民破击了北宁路及境内公路，一度袭入唐山市，攻克赵各庄、唐庄子等据点，冀南军民破袭了元氏至安阳段的平汉路，迟滞了日军修筑德石路的进程。太岳军民破击了白晋路和同蒲路南段。
在八路军突然猛烈攻击下，正大路沿线的日军在数日内联络中断，情况不明，陷入混乱状态。但在查明情况后，即紧急调集兵力，进行疯狂反扑。在正太路西段，日军从白晋路沿线和同蒲路临汾南北段，抽调第36、第37、第41师团各一部，配合独立混成第4、第9旅团向八路军第129师反击，在正太路东段，日军从冀中、冀南抽调兵力约5000人，增援至石家庄，娘子关及其以北地区，配合独立混成第8旅团向晋察冀军区部队反击。反击之敌采取东西对迸，企图重新打通正太路。在同蒲路北段，日军也开始进行反击。
8月26日，八路军总部根据敌情变化，下达了第二步行动方案，指示在正太路不能继续坚持作战，或已彻底完成正太战役任务的情况下，行动方针是乘胜开展正太路两侧战斗，力求收复深入各个根据地内的某些据点，继续坚持正太路的游击战。具体部署是：晋察冀军区以3个步兵团坚持正太路寿阳至石家庄段沿线的游击活动，以4个步兵团力求收复上社、下社以北各据点，并向盂县、寿阳以北，定襄、忻县以南开展游击活动，第129师以2个步兵团坚持阳泉以西正太路沿线和榆次、太谷地区的游击活动，以4个步兵团破击平（定）辽（县）公路，相机收复辽县、和顺两城；第120师以5个步兵团破击同蒲路忻县至太原段。
9月2日，日军第36、第37、第41师团和独立混成第4、第9旅团各一部，共8000余人，合击正大路南侧安丰、马坊地区的八路军第129师。第129师以4个团的兵力英勇抗击日军，歼灭日军200余人，掩护了师领导机关的安全转移。9月6日，第129师上述部队于榆社西北双峰地区，将日军1个大队包围，激战一昼夜，歼其大队长以下400余人。同日，第385旅于张建设伏，重创向辽县撤退的日军，与此同时，晋察冀军区乘日军集中兵力向正太路南侧反击，北侧较为空虚之机，以主力4个团向盂县周围日军出击，收复会里、上社、下社等6个据点，歼敌200余人，9月上旬，活动于正大路东段的晋察冀军区第3团和第4军分区特务营等部，再度袭击娘子关和井陉煤矿，有力地钳制了日军。在此期间，第120师对同蒲路忻县至太原段的破击，也使日军难以继续向该线抽调兵力增援正大路。由于晋察冀军区主力在孟县地区积极行动，迫使向正大路南侧反击的日军独立混成第4旅团主力从9月5日起陆续回撤寿阳，阳泉、盂县地区，并向晋察冀军区部队反击，在此情况下，八路军总部决定于9月10日结束第一阶段作战。
在第一阶段的作战中，八路军由于战役部署周密，准备工作充分，部队行动迅速、秘密，充分发挥了战役的突然性，取得了重大胜利。八路军共歼灭日伪军7000余人，攻克日军据点91处，破坏铁路300余公里、公路700余公里，正大路被毁三分之二，基本实现了预期的作战目的。
战役第二阶段（9月22日至10月上旬），中心任务是扩大第一阶段战果，继续破击交通线，重点攻占交通线两侧和深入抗日根据地内的日军据点。
8月31日，八路军总部在致各集团并上报中共中央军委的电报中指出，敌之严重弱点是乒力不足，因此我们可以彻底摧毁正太路和同蒲路忻县至朔县段，使晋西北、晋东南和晋察冀三个基本根据地连成一片。9月16日，八路军总部下达了百团大战第二阶段作战命令，规定第二阶段作战目的是扩大战果；作战的基本方针是继续破坏敌人交通，摧毁深入根据地的某些据点，作战部署是：第120师集结主力破击同蒲路宁武至轩岗段；晋察冀军区集结主力破袭涞（源）灵（丘）公路，并夺取涞、灵2城，并以有力一部于同蒲路东侧，积极配合第129师作战；第129师以收复榆社、辽县为目的，进行榆辽战役，并以有力一部破击白晋路北段，此外，对破击沧石、德石、邯济、平汉、平绥、北宁、津浦路，阻敌修复正太路，也作了部署。
涞灵战役。晋察冀军区根据八路军总部的命令，迅速将主力由正太路沿线北调，执行涞灵作战任务。涞源、灵丘地区，驻有日军独立混成第2旅团（司令部驻张家口）和第26师团（司令部驻大同）各一部，共1500余人，另有伪军1000余人。晋察冀军区决心首先夺取涞源县城，同时拔除涞源县城附近各据点。主要部署是：以第1、第2、第3、第20、第25团及游击第1、第3支队，第1军分区特务营，军区骑兵第1团的1个营，共约1.5万人，组成右翼队，在战役初期，夺取涞源及其附近据点，打敌增援，尔后，视情况转移攻势于灵丘外围，协助左翼队相机夺取灵丘；以第6、第26团和察绥游击支队，共约5000人，组成左翼队，在战役初期，阻敌增援，以有利于右翼队作战，尔后，在右翼队协助下，夺取灵丘及其附近据点。以外，以冀热察挺进军平西军分区第9团袭击桃花堡及其附近据点，随时准备打击向蔚县、涞源增援之敌；以第2军分区第4团活动于五台地区，钳制向灵丘增援之敌，军区教导团和游击军主力及游击第2支队，向唐县、曲阳、定县各日军据点袭扰。命令冀中军区除以主力一部配合冀南军区破击沧石、德石路，另以一部破击北宁、津浦路外，组织任（丘）河（间）大（城）肃（宁）战役，钳制驻冀中日军，使其不得西援。
9月22日22时，涞灵战役开始，右翼队向涞源县城及其外围据点发起猛烈攻击，由于日军工事坚固，防守严密，加之攻击力量分散和缺乏攻坚手段，经一昼夜激战，仅夺取东、西、南3个城关和2个外围据点。23日，右翼队决定先集中力量拔除外围据点，再行攻城。当夜攻占涞源城东10公里处的日军重要据点三甲村。到25日，攻占涞源东北的日军另一重要据点东团堡，日军独立混成第2旅团的1个教导队130亲人全部被歼。至26日，右翼队共攻克涞源外围据点10余处。
28日，张家口日军3000余人乘汽车，在飞机、坦克掩护下，急速向涞源地区增援，并于当日进抵淬源县城。至10月1日，右翼队攻克的大部分据点又被日军占领。在此情况下，晋察冀军区乃决定转移攻势于灵丘地区。10月2日，命令右翼队主力集结涞源以东及东南地区，一部监视牵制涞源之敌。另以第1、第2团归左翼队指挥，加入左翼队作战。
10月7日至9日上午，左翼队先后攻克南坡头、抢风岭、青磁窑等日军据点。9日下午，大同日军1000余人增至浑源，井继续向灵丘地区进犯。同时，涞源、易县、保定、望都、定县、完县、唐县、曲阳，五台等地，日军正集结兵力，准备粮弹。依据上述情况，晋察冀军区判断日军可能乘军区主力远在灵丘、浑源、广灵地区作战，大举“扫荡”根据地。遂于10日命令左翼队放弃第二步计划，立即结束涞灵战役，准备反“扫荡”作战。涞灵战役持续18天，共毙伤日伪军1024人，俘日军49人、伪军237人，八路军伤亡1419人。
为策应涞灵战役，冀中军区以第18、第23、第30团等共约8500人，于10月1日至20日进行了任（丘）河（间）大（城）肃（宁）战役，毙伤日军805人，伪军322人，俘日军3人、伪军326人，攻克据点29个。冀中军区部队伤亡573人。
榆辽战役。由昔阳经平定、和顺、辽县到榆社的公路，是日军突入太行抗日根据地最深的一条公路。日军企图将该路向西南延伸，经武乡与白晋路相连，以达到分割大行区，灵活调动正太、白晋两线兵力的目的。其中，榆辽段长45公里，沿线有榆社、沿壁、王景、管头，铺上、小岭底、石匣、辽县等8个据点，由日军独立混成第4旅团第13大队守备，另有2个大队驻和顺、昔阳与榆次之间地区，与榆辽地区日军相互呼应。
9月22日，八路军第129师下达榆辽战役基本命令，决定以突然袭击手段消灭榆社至小岭底之敌，并乘势向辽县发展，相机收复辽县。战役部署是：以第386旅之第772、第16团和决死第1纵队之第25、第38团为左翼队，攻取榆辽公路西段榆社、沿壁、王景等据点，并准备与沁（县）北支队协同，夹击可能由武乡、故城北援之敌；以第385旅（附新编第11旅第32团）为右翼队，主力攻取榆辽公路东段管头、铺上、小岭底等据点，一部扼守辽县以西狼牙山，阻击辽县可能西援之敌，并准备协同新编第10旅相机收复辽县；以新编第10旅为平（定）辽（县）支队，破击平辽公路和顺南北段，牵制、阻击昔阳、和顺等地之敌，并配合第385旅相机收复辽县；以大岳军区第17、第57团组成沁北支队，破击白晋路沁县至分水岭段，钳制日军从白晋路抽调兵力增援榆辽地区，其余各部队仍继续执行对同蒲、平汉、德石等铁路的破击任务。
9月23日23时，左、右翼队同时向预定目标发起攻击，至27日，榆社、沿壁、王景、铺上、小岭底、石匣等日军据点均被攻克。同时，辽县以北的寒王日军据点亦为新编第10旅部队攻克，辽县日军陷入孤立。第129师当即按预定计划，调集左、右翼队主力于辽县以西之马厩一带，准备收复辽县。此时，和顺、武乡日军分别向辽县、管头增援。鉴于这一情况，八路军总部指示第129师暂停进攻辽县，以一部牵制和顺南下之敌，主力转移至红崖头、关帝垴地区，准备歼灭武乡东援之敌。第129师遵令转移兵力，同时猛攻管头，于29日24时将其攻克。30日9时左右，左翼队赶至红崖头以南山地，右翼队尚未到达预伏地区。此时，武乡日军600余人正越过预伏地区，其先头与右翼队遭遇。左翼队当机立断，迅速从日军的尾、侧翼同时展开攻击。日军依托有利地形顽抗，双方形成对峙。10月1日，辽县西援日军400余人突破右翼队狼牙山阻击阵地，进至铺上，和顺南援之敌占领寒王，正向辽县急进。在此情况下，八路军总部决定第129师各部撤出战斗，结束榆辽战役。
第120师破击同蒲路。9月12日，第120师下达了同蒲路北段行动计划，决心从9月20日开始破击同蒲路宁武至忻县段（重点在宁武、大牛店之间）。作战部署是：以第358旅破击原平至宁武段；以独立第2旅破击宁武至朔县段；特务团位于宁化堡附近，掩护后方联络线；暂编第1师阻击岢岚、五寨增援之敌。前线各部统由第358旅指挥。
为防止铁路线再度遭受破击，此时日军已在同蒲路两侧重要据点集结兵力，加强对铁路线的保护。第120师部队在破击战发起前，攻击头马营、宁化堡、羊圈岭等地日军，扫除了向同蒲路开进的障碍。9月22日22时，各部队向预定目标展开猛烈破击。至26日，同蒲路北段交通再次中断。战役第三阶段（10月6日至翌年1月24日），中心任务是进行反击日军报复“扫荡”的作战。
1个多月以来，日军在华北的广大地区连续遭到八路军的两次大规模攻势的打击，损失惨重。为防止局势继续恶化，尽快稳定占领区，遂调集重兵，从10月6日起，先后对华北各抗日根据地进行疯狂的报复“扫荡”，企图乘八路军连续作战来不及休整之机，打击八路军主力，摧毁抗日根据地。10月19日，八路军总部下达反“扫荡”作战命令，要求各抗日根据地党政军民密切配合，实行空室清野，部队集结于适当位置，坚决消灭一两路进犯之敌，并分散部分主力协同地方游击队和民兵广泛开展游击战争，粉碎日军的报复“扫荡”。据此，各抗日根据地军民以连续作战的精神，展开了反“扫荡”作战。
太行地区的反“扫荡”作战。10月6日，冀西武安日军800余人，开始“扫荡”阳邑一带。11日，日军独立混成第4旅团一部从辽县、武乡出发，第36师团一部从潞城、襄垣出发，总共3000余人，南北策应，“扫荡”榆、辽，武之间的浊漳河两岸地区，合围“清剿”榆辽公路以南，武乡、蟠龙以北地区后，14日自洪水、蟠龙，西营一线东犯东田、左会地区。八路军第129师第385、第386旅，决死第1纵队等部，在内线节节阻击进犯之敌，新编第10旅在外线积极作战。15日上午，新编第10旅2个团在和辽公路弓家沟伏击日军汽车运输队，击毁日军汽车44辆，歼灭押车日军100余人。此后半个月，日军不敢在和辽公路上运输。17日，“扫荡”之敌分途撤退。
10月20日，日军第36师团及独立混成第4旅团等部近万人，分由武安、辽县、武乡、潞城等地出发，“扫荡”清漳河东西地区，重点指向中共中央北方局、八路军总部机关及第129师师直、晋冀豫边区党政机关所在地的麻田、左会间地区及涉县、偏城一带。由于此次“扫荡”距上次“扫荡”间隙甚短，规模较大，抗日根据地军民缺乏思想上、组织上的准备，主力部队未能转到外线，只在内线被动抗击，难以给“扫荡”日军以有力打击，致使日军进入合击地区后，连续数日，实行疯狂的“清剿”和烧杀。26日，日军开始回撤，回撤途中，又实行分区“扫荡”，使根据地受到严重破坏和摧残。
为摆脱被动局面，八路军总部要求第129师下决心寻机歼灭一路日军，震慑敌胆，使其不敢再以大队为单位独立行动，从而拉开日军“扫荡”间隔，便于根据地军民机动。29日，“扫荡”黄烟洞之日军第36师团一部500余人，经左会退到蟠龙以东的关家垴，准备返回武乡。当日13时，八路军总部命令第129师集中主力歼灭该敌。当日夜，第129师以第385、386旅主力，新编第10旅及决死第1纵队各一部，将该敌包围于关家垴，次日4时发起总攻，被围之敌乘夜暗袭占关家垴西南的凤垴顶高地，以两处制高点互为犄角，固守顽抗。31日拂晓，日军大部被歼，仅亲60余人死守阵地。下午，黄烟洞方面日军1500余人，在飞机掩护下驰援，第129师迅速撤出战斗。残敌在援敌接应下，向洪水逃去。至此，日军大部己由太行抗日根据地中心区撤走。至11月13日，日军对太行区的“扫荡”告一段落。
太岳地区的反“扫荡”作战。从11月17日开始，日军以第37、第41师团和独立混成第16旅团各一部，共7000余人，分路台击沁源及其以北的郭道镇地区。这时，赴太行区的太岳部队主力未归，太岳区兵力薄弱。为避敌锋芒，太岳军区将领导机关与主力部队组成沁东、沁西2个支队，转移于日军合击圈外的沁河两岸地区，打击分散活动之敌。日军于23日进抵合击地区后，即实行分散“情剿”，大烧、大杀、大抢，企图彻底毁灭根据地。沁源受摧残最力严重，被害群众达5000余人，占全县人口的1/10，牲畜被杀近万头，被抢走7000余头，房屋被毁三四万间。太岳军区部队抓住日军四出“清剿”，兵力分散的机会，积极打击敌人，在官滩，胡汉坪、马背、尤佛寺、交口等地予日军重创，日军于12月5日分路撤出太岳区。
晋察冀边区的反“扫荡”作战。从10月13日起，日军驻蒙军、第1军、第110师团，独立混成第15旅团的各讨伐队、临时混成第101旅团和部分伪军1万余人，分10路向平西抗日根据地中心区——三坡合击。日军汲取冒险轻进的教训，采取稳扎稳打、依靠据点逐步推进的战术，每日前进5至10公里。平西军分区以主力的适时机动和广泛的游击战对付日军的“扫荡”。至10月21日，在日军包围圈进一步缩小时，平西军分区主力由三坡地区跳出日军合围圈，向西南转移至板城以东野孤、大台之线。日军进至三坡地区后，大肆烧杀。由于战前坚壁清野工作不够，大量粮食被抢走。至10月底，日军主力退出平西，但仍留2000人以上兵力在根据地内修筑据点、公路，使平西抗日根据地退缩、减小，斗争更加艰苦。
11月9日，日军第110师团等部及伪军共1.4万余人，开始“扫荡”北岳区。日军首先重点“扫荡”北岳区东北部之第1军分区。从13日起，将重点转向北岳区东南部之第3军分区，企图合击阜平以北的台峪。晋察冀军区司令部及第3，第5军分区指挥机关等在日军合围圈即将形成之前，适时跳出，转移外线。16日，日军合击台峪、张家峪地区，未能转移出去的游击军损失重大，司令员王溥、政治部副主任郝玉明以下100余人牺牲。11月18日，台击台峪之敌从王快进占阜干城。尔后，日军由阜平中心区向外，由周围各据点向内，对第3军分区所属地区连续合击、反复“扫荡”，残酷烧杀破坏。
在此期间，晋察冀军区主力始终处于机动地位，只以一部与日军保持接触，钳制敌人的行动，各分区部队不脱离根据地，积极与日军周旋，各游击部队不断袭击敌人，破坏交通，阻敌修路，扰敌后方。日军不断遭到打击，饥疲交加，遂于25日分路撤退。至12月3日，日军大部退出北岳区，但在阜平、王快、党城、曲阳之线，留驻1000余人，继续建点修路，企图久踞。12月14日，晋察冀军区组织第2、第3、第4、第6团进行阜（平）王（快）战役。在晋察冀边区军民的沉重打击下，留驻之敌被迫于1941年元旦起先后从阜平、东庄、王快撤退。至1月4日，持续55天的反“扫荡”基本结束，共毙伤日伪军2000余人，自己伤亡1382人。
晋西北地区的反“扫荡”作战。10月30日，第120师奉命组建晋西北军区。11月7日，举行军区成立大会。
日军第1军在结束对晋东南太行、太岳区的“扫荡”后，即调兵北上，抽调驻晋南的第37师团、驻晋东南的第41师团各一部，配合驻晋西北的独立混成第3、第9、第16旅团及驻蒙军第26师团各一部，共2万余人，从12月14日起，开始对晋西北实行全区性的大“扫荡”。至12月23日，侵占晋西北除保德，河曲以外的全部县城、大部集镇和黄河渡口，开始有计划地实行“三光”政策，根据地遭到严重的摧残和破坏。据不完全统计，此次“扫荡”中，群众被惨杀5000余人，仅第4军分区被抢、被杀牲畜达5000余头，被烧毁的房屋、窑洞达1.9万余间。
晋西北军区部队在反“扫荡”初期，主要以部分兵力配合地方部队和游击队，开展广泛的游击战，袭扰、钳制进攻之敌，破坏敌之交通运输，掩护群众转移。主力部队避敌锋芒，转至外线，寻机袭击日军。在晋西北军民的有力打击下，日军难以继续“清剿”，遂改以修路筑点，企图长期驻守。为粉碎日军企图，晋西北军区分散部分主力部队，配合游击队和民兵，坚持区不离区、县不离县的斗争。同时，集中部分主力，破击交通线，袭击日军修路部队和运输队，使日军的修路筑点计划遭到破产。1941年1月2日起，日军开始分途撤退，至1月24日，全部退回原据点，晋西北军区反“扫荡”作战，历时40天，歼敌2500余人，破坏公路125公里、桥梁23座，在战役中被日军侵占的城镇全部收复。
百团大战从1940年8月20日至1941年1月24日，历时5个多月，是抗日相持阶段中，八路军在华北地区发动的一次规模最大、持续时间最长的战略性进攻战役。1940年12月10日八路军总部公布，从8月20日至12月5日的3个半月中，八路军共毙伤日伪军20645人（内有大队长以上军官18人）、伪军5155人，俘虏日军281人、伪军18407人，日军自动携械投诚者47人，伪军反正者1845人；缴获各种枪5942支（挺）、炮53门；破坏铁路474公里、公路1502公里、桥梁213座、火车站37个、隧道11个，破坏煤矿5个、仓库11所。八路军伤亡1.7万余人。
日伪军损失的兵力，若加上晋察冀军区反“扫荡”作战毙伤的2000余人和晋西北军区反“扫荡”作战毙伤的2500余人，达到50980人。
百团大战严重地破坏了日军在华北的主要交通线，使正太路停运1个多月，同蒲路北段两次被切断，平汉、津浦、北宁等铁路和部分公路也遭到不同程度的破坏，拔除了日军深入抗日根据地内的部分据点，歼灭了大量日伪军，沉重打击了日军的“囚笼”政策，牵制了大量的日军兵力，鼓舞了全国人民抗战胜利的信心，提高了共产党和八路军的声望，对粉碎日军威压诱逼中国政府屈服的企图起到了重要作用。但战役发起后，作战的规模越来越大，特别是第二阶段，实施与八路军装备不相适应的攻坚战，因而过多地消耗了八路军的有生力量和根据地的人力、物力。