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3.巧奪據點
9月16日，朱德總司令、彭德懷副總司令、左權參謀長聯名下達了戰役第二階段作戰命令。這項命令提出，第二階段作戰，基本目的是擴大戰果，基本方針是繼續破壞日軍的交通線，摧毀深入抗日根據地內的日偽軍據點。作戰部署和主要任務是：
第120師“以截斷同蒲北段交通之目的”，主要是集結主力破擊寧武至軒崗段同蒲路。
“晉察冀軍區以開展邊區西北方麵工作之目的”，主要是集結主力破襲淶靈公路，奪取沫源、靈丘兩座縣城，並以有力一部在同蒲路東側配合第120師作戰。
第129師“以收複榆次遼縣之目的，開展榆遼地區鬥爭”，以重點破擊榆次、遼縣（今左權）公路，並以有力一部破擊白晉鐵路北段。
冀中、冀南的部隊，要“打擊日寇修築滄石路、石德路、邯清路”，集中力量破壞各路段及前線路基。挺進軍應以有力部隊在平漢路北段、平綏路以及北平城郊積極活動。
八路軍總部要求，“第二階段之作戰統於本月20日開始戰鬥。”
根據八路軍總部的部署，戰役第二階段主要進行了淶靈戰役、榆遼戰役、破擊同蒲路作戰。那一段時間，華北戰場的戰鬥日夜不息，日本侵略軍的經濟網、封鎖網和交通線受到全麵打擊，日偽軍占有的煤礦、電廠、鐵路、橋梁、公路、車輛和電訊都遭到破壞，許多車輛被擊毀，軍事設施接連發生爆炸。
淶靈戰役，主要是攻打河北省的淶源與山西省的靈丘兩城為主的一係列戰鬥。
淶源、靈丘及其附近地區，駐有日軍獨立混成第2旅團和日軍第26師團。獨立混成第2旅團司令部駐在張家口，步兵第4大隊駐在渾源地區，步兵第3大隊駐在蔚縣、溥鹿地區，步兵第2大隊駐在懷淶、延慶地區。日軍第26師團是三單位製的乙種師團，師團司令部駐在大同，第2大隊駐在靈丘地區，第1大隊駐在淶源地區，第3大隊駐在應縣地區。這兩部分日軍共約1500人。另有偽軍1000多人。
晉察冀軍區根據八路軍總部的命令，集中8個團、3個遊擊大隊、2個獨立營，組成左翼隊、右翼隊和預備隊。其兵力組成和任務區分是：
右翼隊由第1、第2、第3、第20、第25團，遊擊第1、第3支隊，第1軍分區特務營，軍區騎兵第1團1個營等部隊組成，總兵力約1.5萬人，由楊成武將軍指揮，重點攻擊淶源縣城及其附近的日偽軍據點，打敵增援，同時要協助左翼隊相機奪取靈丘。
左翼隊由第6、第26團，察綏遊擊支隊組成，總兵力約5000人，戰役初期的主要任務是阻敵增援，爾後同右翼隊配合，奪取靈丘及其附近的日偽軍據點。
總預備隊由一個步兵團擔任。
此外，對冀晉察挺進軍、第2軍分區第4團、冀中軍區等部隊，都明確了相應的任務。
9月22日22時，兩顆紅色信號彈騰空而起，攻城戰鬥開始了。
右翼隊向據守淶源城及其周圍據點的日偽軍發起攻擊。戰鬥越來越激烈，天明時分，八路軍已經奪占了淶源城的東關、西關和南關以及2個外圍據點，日軍被迫退入城內。八路軍指戰員原想一鼓作氣攻下淶源城，再殲滅外圍的日偽軍據點，但是，這個目的未能如願實現。
淶源縣城麵積小，方圓不到2公裏，但城牆位於高坡之上，是用巨大的條石建造的，高而堅固，城關地勢低窪。多年來，日偽軍不斷加固城牆，全城就像一座大碉堡，攻城等於是破碉堡。晉察冀軍區的攻城部隊雖然在兵力上占有絕對優勢，但是由於部隊缺乏攻城的有效器材，加之日軍頑強抵抗，部隊激戰一晝夜，未能將城攻克。9月23日，晉察冀軍區首長決定，先拔除淶源外圍的日偽軍據點，再攻克淶源。
第一個要拔除的外圍據點是三甲村。三甲村位於淶源城東10公裏，是淶源至易縣公路上日軍的一個重要據點。9月23日夜晚，第2團指戰員在第1團1個營以及炮兵的配合下，向三甲村發起猛烈攻擊，殲滅了三甲村據點的日偽軍。
另一個要拔除的外圍據點是東團堡。東團堡距淶源城25公裏，是淶源東北日偽軍的一個重要據點。東團堡築有環形防禦工事，有日軍第2混成旅的1個教導隊共130多人防守，這些日軍全部是從各部隊挑選來的士官，經過嚴格訓練，武器精良，戰鬥力比較強。據點內的翻譯官金井，是朝鮮人，他在我地下工作者的多次勸說下，對抗日鬥爭曾表示同情。晉察冀軍區第3團的指戰員向東團堡據點發起攻擊以後，日軍不僅以猛烈的火力還擊，還不斷施放毒劑，給攻城的八路軍帶來嚴重威脅。八路軍指戰員發揮勇敢戰鬥的精神，組織力量，加強戰鬥動員，連續攻擊東團堡守敵。
9月24日，戰鬥更加激烈。傍晚，八路軍攻下了東團堡周圍的全部堡壘，日軍被迫退到村中，憑借數間房屋繼續抵抗。
9月25日，東團堡的日軍自知難以固守，即把庫存的武器、彈藥、糧食等作戰物資全部燒毀，準備突圍。就在這時，八路軍指戰員抓住日軍無心防守的心理弱點，發起猛烈攻擊，將日軍大部分殲滅。少數日軍看到無法突圍，竟然向自己點燃的熊熊烈火中奔去，以自焚結束了侵略者的一生。
東團堡殲滅戰，打擊了日軍的銳氣，振奮了八路軍的雄風。
至9月26日，右翼隊的其他部隊相繼攻克了桃花堡、吉家莊、白石口、王喜洞、張家峪等13處日偽軍據點，集中力量攻克淶源的時機成熟了。
9月27日，右翼隊集中兵力猛攻插箭樓。插箭樓位於淶源城南15公裏處，有日軍1個中隊守衛。攻擊發起後，八路軍指戰員很快摧毀了多處碉堡，擊斃了大部分日偽軍。右翼隊拔除了淶源外圍的幾個重要據點，準備再攻淶源的時候，敵情發生了重大變化。
駐守淶源的日軍遭到晉察冀軍區的部隊攻擊以後，立即向駐在張家口的日軍求援。9月23日，3000多日軍搭乘汽車，在20輛坦克、4架飛機的掩護下，從張家口方向出發，南下增援。24日，日軍獨立第2混成旅團旅團長人見與一中將率領部隊從蔚縣出發，南下增援。由於道路被抗日軍民破壞，沿途又不斷遭到抗日武裝的襲擾，日軍行動遲緩。蔚縣至淶源的80公裏路程，日軍車隊艱難地行使了5天，平均每天隻行進16公裏。在戰爭中，人民群眾一旦動員起來，日軍就寸步難行，人民戰爭的威力是無窮的。
28日中午，3000多日軍才進抵淶源縣城。
右翼隊根據日軍兵力的這一重大變化，遂不再硬攻淶源，轉移兵力、部隊向靈丘、渾源方向運動，協同左翼隊攻占了南坡頭、搶風嶺、青磁窯等日軍據點。10月1日，八路軍已攻克的一些據點，又被日軍占領。
10月2日，軍區首長命令右翼隊主力在淶源以東和東南地區集結，臨時休整；命令第1、第3團配合左翼隊發動靈丘戰役。第一、第三團靈丘籍士兵較多，配合左翼隊作戰更為得力。7日，左翼隊向靈丘至渾源之間公路上的各個據點同時發動攻擊，破壞了日偽軍的軍事設施和公路，殲滅守敵2個步兵大隊。
10月8日，晉察冀軍區第一團第一營趁南坡頭據點的日軍主力外出襲擊八路軍之際，悄悄地向南坡頭發起攻擊，攻克南坡頭，殲滅了據點內的日偽軍。
在激烈緊張的戰鬥中，晉察冀軍區突然發現一個重要情況。9月22日，《抗敵報》第35期發表了一篇社論，無意之中泄露了百團大戰第二階段的作戰企圖。在敵對雙方激烈的搏殺中，泄露作戰企圖將造成非常嚴重的後果。從戰場態勢看，日軍糾集了1300多官兵，從靈丘方向和渾源、廣靈方向南下，企圖向抗日軍民反撲。10月9日，駐大同的1000多名日軍南下，增援靈丘。軍區首長判斷，日軍可能趁八路軍攻打淶源、靈丘之際，對抗日根據地進行新的“掃蕩”。在這種情況下，晉察冀軍區必須根據敵情的變化，調整作戰部署。
10月10日，晉察冀軍區決定結束淶靈戰役，部隊進行適當休整，做好反“掃蕩”的各項準備工作。
淶靈戰役，晉察冀軍區的部隊雖然未能收複淶源縣城，卻有力地打擊了日軍的有生力量，先後攻克日偽軍據點16處，摧毀碉堡114座，殲滅日偽軍1600多人。日軍獨立混成第二旅團步兵第4大隊所屬1000多人，被晉察冀軍民殲滅約700人。
淶靈戰役期間，冀中軍區集中10個營、共約8500人的兵力，發起任河大肅戰役。
晉中軍區司令員呂正操將軍回憶說：“在整個戰役過程中，敵人曾不斷對我活動於中心地區的二十三團進行合擊，但我內線外線部隊密切配合，使敵人顧此失彼，完全陷於被動。”在近20天的時間裏，冀中軍區的部隊英勇作戰112次，連續攻克東固賢、良村、西劉莊等29個日偽軍據點，以傷亡573人的代價，殲滅日偽軍1456人，其中斃傷日軍805人、偽軍322人，俘虜日軍3人、偽軍326人，繳獲迫擊炮1門、輕重機槍6挺，破毀鐵路5公裏、公路159公裏。任河大肅戰役，有力地鉗製了日偽軍的兵力，巧妙地配合了淶源地區的作戰。
榆遼戰役，是在山西省的榆次和遼縣之間地域進行的一係列戰鬥。從山西陽泉南下，經過平定、和順、遼縣到達榆次的這條公路，是日軍突入太行山根據地最長的一條公路，其中榆次到遼縣之間地段，全長45公裏，日軍在沿線設置了8個據點。守衛榆遼公路的日軍主要是獨立團混成第4旅團第13大隊，約1000多人，分駐於榆次和遼縣之間公路地域。在和順、昔陽至榆次之間的地域，駐有2個大隊，這些兵力與榆遼公路的日偽軍相互呼應。
八路軍第129師首長根據戰役意圖，把參戰部隊組成左翼隊和右翼隊。左翼隊由第386團和決死第1縱隊各2個團組成，主要任務是攻占榆次、沿壁、王景等據點。右翼隊由第358旅附第32團組成，主要任務是攻取管頭、小嶺底等日偽軍據點，以部分兵力守衛遼縣以西的狼牙山，阻擊日軍向西增援。此外還以新編第10旅組成平遼支隊，主要任務是破襲平遼公路；以太嶽軍區第17、第57團組成沁北支隊，主要任務是破擊白晉路沁縣至分水嶺地段。
在變幻莫測的戰爭中，軍事家常常采用聲東擊西的方法，達成戰鬥的突然性。八路軍第129師在榆遼戰役之初，為了迷惑日軍，劉伯承、鄧小平運籌帷幄，9月20日，即以部分兵力突然襲擊長治機場，擊毀日機3架，擊傷日機1架，破壞了部分機場設施。正當日軍把注意力放在防護長治機場上時，另一場更大規模的戰鬥又悄悄地開始了。這就是劉伯承、鄧小平指導戰爭的高明之處。
9月22日，劉伯承、鄧小平在宋家莊師指揮所下達了進行榆遼戰役的命令，決定以突然襲擊的手段摧毀榆遼公路上的日軍據點，進攻遼縣，相機收複遼縣。這份命令特別指出：“如某些據點之敵較久頑抗時，則以各種必要手段，如強襲、坑道作業等，力求克複之。”
9月23日夜晚，榆遼公路上襲擊日軍各個據點的戰鬥一齊打響了。右翼隊順利攻占榆遼公路上的小嶺底、蒲上等日軍據點。左翼隊一部攻克沿壁、王景等日軍據點，主力向駐守榆次的400多名日軍發起攻擊。
9月24日，左翼隊經過一夜激戰，攻占了榆次城的大部分地區，殘敵退向榆次中學，這是日軍設在榆次的一處核心陣地。日軍憑借堅固工事，依仗有飛機掩護，負隅頑抗，不時地施放毒氣。八路軍攻城部隊連續發起3次強攻，都沒有把榆次城攻破。指戰員們遵照劉伯承的指示，仔細分析敵情後，決定改進方法，采用緊迫作戰。這時候，部隊一麵繼續對殘敵進行攻擊，一麵組織人員挖坑道，並把坑道逐漸挖到日軍的核心陣地。
9月25日下午4時，一段隱蔽的坑道終於挖到了日軍的碉堡底下。隨著一聲驚天動地的爆炸聲，日軍主碉堡西南麵的外圍工事被炸毀了。早已等候在工事旁的突擊隊員冒著煙霧，迅速衝向日軍主碉堡，一架架雲梯很快架到12米高的碉堡上，手榴彈雨點般地落在碉堡裏。碉堡內的日軍正被巨大的爆炸聲驚得失魂落魄，哪裏想得到八路軍的攻擊來得這樣突然。
經過一番艱苦的戰鬥，八路軍攻占榆次縣城，殲滅日軍中隊長以下400多人，繳獲各種火炮12門，輕重機槍17挺，步槍200多支。
9月27日拂曉，右翼隊向遼縣以西的石匣發起攻擊，激烈的戰鬥一直進行到天黑，八路軍指戰員占領了石匣。
9月28日，左翼隊和右翼隊調整部署，準備協同新編第10旅進攻遼縣。這時候，駐在和順、武鄉的日軍同時出動，援助遼縣。由於敵情變化，八路軍總部命令部隊停止進攻遼縣，以一部兵力牽製南下之敵，其餘兵力轉移，準備在紅崖頭、官地堖地區伏擊日軍。第129師根據八路軍總部的命令，即組織部隊轉移，並於29日24時將管頭的日軍據點攻克。
9月30日，天氣晴朗，上午9時，左翼隊第386旅的部隊進至紅崖頭以南的山地，右翼隊第385旅2個團的官兵正向伏擊地域開進時，從武鄉出動的600多名日軍意外地進入預定伏擊地區，日軍的先頭部隊正好與右翼隊的官兵在途中遭遇。兩軍相遇勇者勝。八路軍有勇敢戰鬥的優良作風。第385旅的指戰員途中遭遇日軍，很快占領有利地形，同日軍激戰。左翼隊第386旅迅速向日軍的後尾和側翼發起攻擊。
日軍指揮部得知增援部隊在途中遭遇八路軍，陷入西麵包圍之中，立即調了8架飛機來掩護。被圍日軍看到空中轉來轉去的飛機，即命令部隊搶占周圍高地，負隅頑抗。八路軍指戰員向被圍日軍連續發起10多次攻擊，激烈的戰鬥進行了數十小時，殲滅了數百名日軍，其餘日軍依托已經占領的有利地形，繼續頑抗。
正當兩軍在臨時陣地上處於對峙狀態時，日軍的增援部隊趕到了。原來，從和順、遼縣西援的500多名日軍一路急行軍，向狼牙山的阻擊陣地發起猛烈進攻。擔任阻擊任務的第32團官兵利用有利地形，堅決抗擊。這路日軍見從正麵難以突破，就以主力迂回到狼牙山主陣地的側後，這對擔任阻擊的八路軍構成了嚴重威脅。9月31日上午10時，日軍突破了狼牙山的阻擊陣地，向左翼隊指揮所附近逼近。
八路軍總部看到，遼縣、武鄉的日軍已經會合，從陽泉南援的1000多名日軍已經抵達遼縣以北地區，戰場情況發生重大變化，決定結束榆遼戰役。部隊撤出戰鬥後，榆次又被日軍占領了。
10月5日，劉伯承通知第32團團長宗書閣、政委李震、副團長周明國到師部匯報狼牙山阻擊戰情況，3人心情沉重，以為肯定要受到劉伯承的批評。誰知劉伯承熱情地說，請你們來，主要是總結作戰經驗。中午，劉伯承在飯桌上又囑咐他們說：“你們回去告訴大家，部隊打得很好，要多鼓勵，不要輕易批評。幹部間要講團結，共同總結經驗教訓，不要互相埋怨。你們都還年輕，不要因為一仗沒有打好就背包袱，來日方長，努力學習軍事知識，鑽研戰略戰術，這對團以上的指揮員來說尤為重要。”劉伯承一番話，語重心長，既是總結，又有要求，說到了3名指揮員的心坎裏，是對打贏下一場戰鬥的深刻動員。
10月14日，日軍的一支運輸部隊在和順至遼縣之間的公路上行進。八路軍得知這一情報後，事先在弓家溝設伏。當日軍的運輸隊經過八路軍伏擊區時，遭到猛烈打擊，40多輛汽車被擊毀。
榆遼戰役，日軍獨立混成第4旅團遭到八路軍第129師指戰員的殲滅性打擊，先後被殲滅近1000人，僅100多人得以幸存。榆次城內日軍儲備夠用一年的糧襪食武器和彈藥，全部被八路軍繳獲。
賀龍接到八路軍總部的電報以後，考慮到晉西北的日軍正被我軍打得暈頭轉向，應抓住戰機繼續給予打擊，部隊行動不一定要待到9月20日。為此，賀龍向彭德懷請示，第120師可否提前於9月15日開始行動。
彭德懷看了賀龍的電報以後，表示完全同意第120師在9月15日破擊忻寧段同蒲鐵路的計劃。此前，彭德懷給賀龍的複電中曾指出：“連日，增援正太路之敵正在該路以南與劉鄧集團作戰，該路以北聶集團連日收複會裏村、上下村、興道等據點，正圍攻盂縣中，你們乘此機會破擊極好（如能提早幾天更好）。”
為了配合淶靈、榆遼地區的作戰，第120師首長決定，組織部隊再次破襲同蒲路北段，要求第358旅破擊原平至寧武地段，獨一旅破擊忻縣至原平地段，特務團掩護後方聯絡。戰鬥中，前線各部隊統由第358旅指揮。
9月14日，第358旅從婁煩以西地區出發，向馬家溝集結。百團大戰開始以來，同蒲鐵路遭到八路軍襲擊後，日軍已經在鐵路兩側的一些重要據點集結兵力，設置多種障礙。這次破路，八路軍必須先掃清前進道路上日偽軍設置的障礙。
9月18日午夜，第358旅所轄第7、第8團、特務營官兵開始襲擊頭馬營。旅首長考慮到日軍可能增援，即以特務營向頭馬營據點發起攻擊，以第7、第8團在日軍可能增援的地域設伏。戰鬥發起後，寧化堡40多名日軍果然在19日黎明時向頭馬營增援，行至山寨村時，被八路軍第7、第8團包圍，將其全部殲滅。一場戰鬥，戰前謀劃周到，勝利就來得更快。
9月16日夜晚，獨立第一旅東渡汾河。18日，將剛進入上莊據點的400多名日軍包圍，13時發起攻擊，激戰至19日淩晨，旅主力撤出戰鬥，執行新的破襲任務。這次戰鬥，獨一旅斃傷日軍約200人，自己傷亡105人。
9月22日夜，第358旅第4團與師特務團一起，在同蒲鐵路段家嶺、軒崗之間進行破襲。
第2團襲擊奇村日偽軍據點。9月25日，第715團破壞了大牛店、軒崗之間的鐵路。
第120師官兵經過連續多天的破襲戰，有力地打擊了日寇，同蒲鐵路的交通再次中斷，使日軍蒙受重大損失。
1940年10月15日，日軍華北方麵軍向日本陸軍省報告戰況時，不得不承認，“石太線被破壞之廣泛及其規模之大，遠非其他地方可比。”
華北方麵軍在當時的《作戰記錄》中記載：“盤踞華北一帶的共軍，根據十八集團軍總司令朱德的部署，發動了所謂百團大戰，於昭和15年8月20日夜同時奇襲我交通線及生產基地（主要是礦山）。尤其在山西，其勢甚猛。襲擊石太路及同蒲路北段警備隊的同時，並炸毀和破壞鐵路、橋梁及通訊設施，使井陘煤礦等的設備，遭到徹底破壞。此次襲擊，完全出乎我軍意料之外，損失甚大，恢複建設需要相當長的時間與大量資金。”
百團大戰第二階段，攻堅戰多了，破襲戰比第一階段少了。淶靈、榆遼戰役，給日軍以重大打擊。由於攻堅作戰，參戰部隊的傷亡增加了。由於戰爭全局尚未發展到堅守重要城鎮的階段，八路軍攻淶源未克，及時轉移兵力進行破襲戰；隨著敵情變化，放棄一些已經被我攻克的日軍據點，轉而在運動中尋求戰機，在遊擊中殲滅日偽軍，這不僅使自己始終處於主動地位，使日軍始終處於被動挨打的境地，更重要的是在抗日戰爭的實踐中創新了戰役戰法，豐富了戰爭藝術的寶庫。
1940年10月2日，彭德懷、左權、羅瑞卿、陸定一致電“各兵團並報軍委總政”，肯定了戰役成果。電文指出：“百團大戰一二階段取得了偉大勝利，開辟了華北大規模進攻的新記錄，證明了敵人的交通線與據點不是牢不可破的，大大地削弱、沮喪與疲勞了敵人，興奮了全國，提高了我黨我軍地位，打擊了投降派，鞏固與開拓了根據地，鍛煉了黨政軍民，提高了部隊戰鬥力，保證了秋收秋耕，繳獲了許多軍需資材，對於百團大戰的勝利任何估計上的悲觀失望都是極端錯誤的。”
電文同時提出，“目前敵寇正集中力量進攻安南、雲南、重慶，這正是開展華北戰局的良機。我們的任務是再接再厲，擴大勝利，隻有這樣才能大量吸引敵人，真正做到破壞其進攻昆明、重慶、西安的戰略計劃，爭取時局的好轉。隻有這樣才能真正縮小敵占區，鞏固抗日根據地”。
第120師“以截斷同蒲北段交通之目的”，主要是集結主力破擊寧武至軒崗段同蒲路。
“晉察冀軍區以開展邊區西北方麵工作之目的”，主要是集結主力破襲淶靈公路，奪取沫源、靈丘兩座縣城，並以有力一部在同蒲路東側配合第120師作戰。
第129師“以收複榆次遼縣之目的，開展榆遼地區鬥爭”，以重點破擊榆次、遼縣（今左權）公路，並以有力一部破擊白晉鐵路北段。
冀中、冀南的部隊，要“打擊日寇修築滄石路、石德路、邯清路”，集中力量破壞各路段及前線路基。挺進軍應以有力部隊在平漢路北段、平綏路以及北平城郊積極活動。
八路軍總部要求，“第二階段之作戰統於本月20日開始戰鬥。”
根據八路軍總部的部署，戰役第二階段主要進行了淶靈戰役、榆遼戰役、破擊同蒲路作戰。那一段時間，華北戰場的戰鬥日夜不息，日本侵略軍的經濟網、封鎖網和交通線受到全麵打擊，日偽軍占有的煤礦、電廠、鐵路、橋梁、公路、車輛和電訊都遭到破壞，許多車輛被擊毀，軍事設施接連發生爆炸。
淶靈戰役，主要是攻打河北省的淶源與山西省的靈丘兩城為主的一係列戰鬥。
淶源、靈丘及其附近地區，駐有日軍獨立混成第2旅團和日軍第26師團。獨立混成第2旅團司令部駐在張家口，步兵第4大隊駐在渾源地區，步兵第3大隊駐在蔚縣、溥鹿地區，步兵第2大隊駐在懷淶、延慶地區。日軍第26師團是三單位製的乙種師團，師團司令部駐在大同，第2大隊駐在靈丘地區，第1大隊駐在淶源地區，第3大隊駐在應縣地區。這兩部分日軍共約1500人。另有偽軍1000多人。
晉察冀軍區根據八路軍總部的命令，集中8個團、3個遊擊大隊、2個獨立營，組成左翼隊、右翼隊和預備隊。其兵力組成和任務區分是：
右翼隊由第1、第2、第3、第20、第25團，遊擊第1、第3支隊，第1軍分區特務營，軍區騎兵第1團1個營等部隊組成，總兵力約1.5萬人，由楊成武將軍指揮，重點攻擊淶源縣城及其附近的日偽軍據點，打敵增援，同時要協助左翼隊相機奪取靈丘。
左翼隊由第6、第26團，察綏遊擊支隊組成，總兵力約5000人，戰役初期的主要任務是阻敵增援，爾後同右翼隊配合，奪取靈丘及其附近的日偽軍據點。
總預備隊由一個步兵團擔任。
此外，對冀晉察挺進軍、第2軍分區第4團、冀中軍區等部隊，都明確了相應的任務。
9月22日22時，兩顆紅色信號彈騰空而起，攻城戰鬥開始了。
右翼隊向據守淶源城及其周圍據點的日偽軍發起攻擊。戰鬥越來越激烈，天明時分，八路軍已經奪占了淶源城的東關、西關和南關以及2個外圍據點，日軍被迫退入城內。八路軍指戰員原想一鼓作氣攻下淶源城，再殲滅外圍的日偽軍據點，但是，這個目的未能如願實現。
淶源縣城麵積小，方圓不到2公裏，但城牆位於高坡之上，是用巨大的條石建造的，高而堅固，城關地勢低窪。多年來，日偽軍不斷加固城牆，全城就像一座大碉堡，攻城等於是破碉堡。晉察冀軍區的攻城部隊雖然在兵力上占有絕對優勢，但是由於部隊缺乏攻城的有效器材，加之日軍頑強抵抗，部隊激戰一晝夜，未能將城攻克。9月23日，晉察冀軍區首長決定，先拔除淶源外圍的日偽軍據點，再攻克淶源。
第一個要拔除的外圍據點是三甲村。三甲村位於淶源城東10公裏，是淶源至易縣公路上日軍的一個重要據點。9月23日夜晚，第2團指戰員在第1團1個營以及炮兵的配合下，向三甲村發起猛烈攻擊，殲滅了三甲村據點的日偽軍。
另一個要拔除的外圍據點是東團堡。東團堡距淶源城25公裏，是淶源東北日偽軍的一個重要據點。東團堡築有環形防禦工事，有日軍第2混成旅的1個教導隊共130多人防守，這些日軍全部是從各部隊挑選來的士官，經過嚴格訓練，武器精良，戰鬥力比較強。據點內的翻譯官金井，是朝鮮人，他在我地下工作者的多次勸說下，對抗日鬥爭曾表示同情。晉察冀軍區第3團的指戰員向東團堡據點發起攻擊以後，日軍不僅以猛烈的火力還擊，還不斷施放毒劑，給攻城的八路軍帶來嚴重威脅。八路軍指戰員發揮勇敢戰鬥的精神，組織力量，加強戰鬥動員，連續攻擊東團堡守敵。
9月24日，戰鬥更加激烈。傍晚，八路軍攻下了東團堡周圍的全部堡壘，日軍被迫退到村中，憑借數間房屋繼續抵抗。
9月25日，東團堡的日軍自知難以固守，即把庫存的武器、彈藥、糧食等作戰物資全部燒毀，準備突圍。就在這時，八路軍指戰員抓住日軍無心防守的心理弱點，發起猛烈攻擊，將日軍大部分殲滅。少數日軍看到無法突圍，竟然向自己點燃的熊熊烈火中奔去，以自焚結束了侵略者的一生。
東團堡殲滅戰，打擊了日軍的銳氣，振奮了八路軍的雄風。
至9月26日，右翼隊的其他部隊相繼攻克了桃花堡、吉家莊、白石口、王喜洞、張家峪等13處日偽軍據點，集中力量攻克淶源的時機成熟了。
9月27日，右翼隊集中兵力猛攻插箭樓。插箭樓位於淶源城南15公裏處，有日軍1個中隊守衛。攻擊發起後，八路軍指戰員很快摧毀了多處碉堡，擊斃了大部分日偽軍。右翼隊拔除了淶源外圍的幾個重要據點，準備再攻淶源的時候，敵情發生了重大變化。
駐守淶源的日軍遭到晉察冀軍區的部隊攻擊以後，立即向駐在張家口的日軍求援。9月23日，3000多日軍搭乘汽車，在20輛坦克、4架飛機的掩護下，從張家口方向出發，南下增援。24日，日軍獨立第2混成旅團旅團長人見與一中將率領部隊從蔚縣出發，南下增援。由於道路被抗日軍民破壞，沿途又不斷遭到抗日武裝的襲擾，日軍行動遲緩。蔚縣至淶源的80公裏路程，日軍車隊艱難地行使了5天，平均每天隻行進16公裏。在戰爭中，人民群眾一旦動員起來，日軍就寸步難行，人民戰爭的威力是無窮的。
28日中午，3000多日軍才進抵淶源縣城。
右翼隊根據日軍兵力的這一重大變化，遂不再硬攻淶源，轉移兵力、部隊向靈丘、渾源方向運動，協同左翼隊攻占了南坡頭、搶風嶺、青磁窯等日軍據點。10月1日，八路軍已攻克的一些據點，又被日軍占領。
10月2日，軍區首長命令右翼隊主力在淶源以東和東南地區集結，臨時休整；命令第1、第3團配合左翼隊發動靈丘戰役。第一、第三團靈丘籍士兵較多，配合左翼隊作戰更為得力。7日，左翼隊向靈丘至渾源之間公路上的各個據點同時發動攻擊，破壞了日偽軍的軍事設施和公路，殲滅守敵2個步兵大隊。
10月8日，晉察冀軍區第一團第一營趁南坡頭據點的日軍主力外出襲擊八路軍之際，悄悄地向南坡頭發起攻擊，攻克南坡頭，殲滅了據點內的日偽軍。
在激烈緊張的戰鬥中，晉察冀軍區突然發現一個重要情況。9月22日，《抗敵報》第35期發表了一篇社論，無意之中泄露了百團大戰第二階段的作戰企圖。在敵對雙方激烈的搏殺中，泄露作戰企圖將造成非常嚴重的後果。從戰場態勢看，日軍糾集了1300多官兵，從靈丘方向和渾源、廣靈方向南下，企圖向抗日軍民反撲。10月9日，駐大同的1000多名日軍南下，增援靈丘。軍區首長判斷，日軍可能趁八路軍攻打淶源、靈丘之際，對抗日根據地進行新的“掃蕩”。在這種情況下，晉察冀軍區必須根據敵情的變化，調整作戰部署。
10月10日，晉察冀軍區決定結束淶靈戰役，部隊進行適當休整，做好反“掃蕩”的各項準備工作。
淶靈戰役，晉察冀軍區的部隊雖然未能收複淶源縣城，卻有力地打擊了日軍的有生力量，先後攻克日偽軍據點16處，摧毀碉堡114座，殲滅日偽軍1600多人。日軍獨立混成第二旅團步兵第4大隊所屬1000多人，被晉察冀軍民殲滅約700人。
淶靈戰役期間，冀中軍區集中10個營、共約8500人的兵力，發起任河大肅戰役。
晉中軍區司令員呂正操將軍回憶說：“在整個戰役過程中，敵人曾不斷對我活動於中心地區的二十三團進行合擊，但我內線外線部隊密切配合，使敵人顧此失彼，完全陷於被動。”在近20天的時間裏，冀中軍區的部隊英勇作戰112次，連續攻克東固賢、良村、西劉莊等29個日偽軍據點，以傷亡573人的代價，殲滅日偽軍1456人，其中斃傷日軍805人、偽軍322人，俘虜日軍3人、偽軍326人，繳獲迫擊炮1門、輕重機槍6挺，破毀鐵路5公裏、公路159公裏。任河大肅戰役，有力地鉗製了日偽軍的兵力，巧妙地配合了淶源地區的作戰。
榆遼戰役，是在山西省的榆次和遼縣之間地域進行的一係列戰鬥。從山西陽泉南下，經過平定、和順、遼縣到達榆次的這條公路，是日軍突入太行山根據地最長的一條公路，其中榆次到遼縣之間地段，全長45公裏，日軍在沿線設置了8個據點。守衛榆遼公路的日軍主要是獨立團混成第4旅團第13大隊，約1000多人，分駐於榆次和遼縣之間公路地域。在和順、昔陽至榆次之間的地域，駐有2個大隊，這些兵力與榆遼公路的日偽軍相互呼應。
八路軍第129師首長根據戰役意圖，把參戰部隊組成左翼隊和右翼隊。左翼隊由第386團和決死第1縱隊各2個團組成，主要任務是攻占榆次、沿壁、王景等據點。右翼隊由第358旅附第32團組成，主要任務是攻取管頭、小嶺底等日偽軍據點，以部分兵力守衛遼縣以西的狼牙山，阻擊日軍向西增援。此外還以新編第10旅組成平遼支隊，主要任務是破襲平遼公路；以太嶽軍區第17、第57團組成沁北支隊，主要任務是破擊白晉路沁縣至分水嶺地段。
在變幻莫測的戰爭中，軍事家常常采用聲東擊西的方法，達成戰鬥的突然性。八路軍第129師在榆遼戰役之初，為了迷惑日軍，劉伯承、鄧小平運籌帷幄，9月20日，即以部分兵力突然襲擊長治機場，擊毀日機3架，擊傷日機1架，破壞了部分機場設施。正當日軍把注意力放在防護長治機場上時，另一場更大規模的戰鬥又悄悄地開始了。這就是劉伯承、鄧小平指導戰爭的高明之處。
9月22日，劉伯承、鄧小平在宋家莊師指揮所下達了進行榆遼戰役的命令，決定以突然襲擊的手段摧毀榆遼公路上的日軍據點，進攻遼縣，相機收複遼縣。這份命令特別指出：“如某些據點之敵較久頑抗時，則以各種必要手段，如強襲、坑道作業等，力求克複之。”
9月23日夜晚，榆遼公路上襲擊日軍各個據點的戰鬥一齊打響了。右翼隊順利攻占榆遼公路上的小嶺底、蒲上等日軍據點。左翼隊一部攻克沿壁、王景等日軍據點，主力向駐守榆次的400多名日軍發起攻擊。
9月24日，左翼隊經過一夜激戰，攻占了榆次城的大部分地區，殘敵退向榆次中學，這是日軍設在榆次的一處核心陣地。日軍憑借堅固工事，依仗有飛機掩護，負隅頑抗，不時地施放毒氣。八路軍攻城部隊連續發起3次強攻，都沒有把榆次城攻破。指戰員們遵照劉伯承的指示，仔細分析敵情後，決定改進方法，采用緊迫作戰。這時候，部隊一麵繼續對殘敵進行攻擊，一麵組織人員挖坑道，並把坑道逐漸挖到日軍的核心陣地。
9月25日下午4時，一段隱蔽的坑道終於挖到了日軍的碉堡底下。隨著一聲驚天動地的爆炸聲，日軍主碉堡西南麵的外圍工事被炸毀了。早已等候在工事旁的突擊隊員冒著煙霧，迅速衝向日軍主碉堡，一架架雲梯很快架到12米高的碉堡上，手榴彈雨點般地落在碉堡裏。碉堡內的日軍正被巨大的爆炸聲驚得失魂落魄，哪裏想得到八路軍的攻擊來得這樣突然。
經過一番艱苦的戰鬥，八路軍攻占榆次縣城，殲滅日軍中隊長以下400多人，繳獲各種火炮12門，輕重機槍17挺，步槍200多支。
9月27日拂曉，右翼隊向遼縣以西的石匣發起攻擊，激烈的戰鬥一直進行到天黑，八路軍指戰員占領了石匣。
9月28日，左翼隊和右翼隊調整部署，準備協同新編第10旅進攻遼縣。這時候，駐在和順、武鄉的日軍同時出動，援助遼縣。由於敵情變化，八路軍總部命令部隊停止進攻遼縣，以一部兵力牽製南下之敵，其餘兵力轉移，準備在紅崖頭、官地堖地區伏擊日軍。第129師根據八路軍總部的命令，即組織部隊轉移，並於29日24時將管頭的日軍據點攻克。
9月30日，天氣晴朗，上午9時，左翼隊第386旅的部隊進至紅崖頭以南的山地，右翼隊第385旅2個團的官兵正向伏擊地域開進時，從武鄉出動的600多名日軍意外地進入預定伏擊地區，日軍的先頭部隊正好與右翼隊的官兵在途中遭遇。兩軍相遇勇者勝。八路軍有勇敢戰鬥的優良作風。第385旅的指戰員途中遭遇日軍，很快占領有利地形，同日軍激戰。左翼隊第386旅迅速向日軍的後尾和側翼發起攻擊。
日軍指揮部得知增援部隊在途中遭遇八路軍，陷入西麵包圍之中，立即調了8架飛機來掩護。被圍日軍看到空中轉來轉去的飛機，即命令部隊搶占周圍高地，負隅頑抗。八路軍指戰員向被圍日軍連續發起10多次攻擊，激烈的戰鬥進行了數十小時，殲滅了數百名日軍，其餘日軍依托已經占領的有利地形，繼續頑抗。
正當兩軍在臨時陣地上處於對峙狀態時，日軍的增援部隊趕到了。原來，從和順、遼縣西援的500多名日軍一路急行軍，向狼牙山的阻擊陣地發起猛烈進攻。擔任阻擊任務的第32團官兵利用有利地形，堅決抗擊。這路日軍見從正麵難以突破，就以主力迂回到狼牙山主陣地的側後，這對擔任阻擊的八路軍構成了嚴重威脅。9月31日上午10時，日軍突破了狼牙山的阻擊陣地，向左翼隊指揮所附近逼近。
八路軍總部看到，遼縣、武鄉的日軍已經會合，從陽泉南援的1000多名日軍已經抵達遼縣以北地區，戰場情況發生重大變化，決定結束榆遼戰役。部隊撤出戰鬥後，榆次又被日軍占領了。
10月5日，劉伯承通知第32團團長宗書閣、政委李震、副團長周明國到師部匯報狼牙山阻擊戰情況，3人心情沉重，以為肯定要受到劉伯承的批評。誰知劉伯承熱情地說，請你們來，主要是總結作戰經驗。中午，劉伯承在飯桌上又囑咐他們說：“你們回去告訴大家，部隊打得很好，要多鼓勵，不要輕易批評。幹部間要講團結，共同總結經驗教訓，不要互相埋怨。你們都還年輕，不要因為一仗沒有打好就背包袱，來日方長，努力學習軍事知識，鑽研戰略戰術，這對團以上的指揮員來說尤為重要。”劉伯承一番話，語重心長，既是總結，又有要求，說到了3名指揮員的心坎裏，是對打贏下一場戰鬥的深刻動員。
10月14日，日軍的一支運輸部隊在和順至遼縣之間的公路上行進。八路軍得知這一情報後，事先在弓家溝設伏。當日軍的運輸隊經過八路軍伏擊區時，遭到猛烈打擊，40多輛汽車被擊毀。
榆遼戰役，日軍獨立混成第4旅團遭到八路軍第129師指戰員的殲滅性打擊，先後被殲滅近1000人，僅100多人得以幸存。榆次城內日軍儲備夠用一年的糧襪食武器和彈藥，全部被八路軍繳獲。
賀龍接到八路軍總部的電報以後，考慮到晉西北的日軍正被我軍打得暈頭轉向，應抓住戰機繼續給予打擊，部隊行動不一定要待到9月20日。為此，賀龍向彭德懷請示，第120師可否提前於9月15日開始行動。
彭德懷看了賀龍的電報以後，表示完全同意第120師在9月15日破擊忻寧段同蒲鐵路的計劃。此前，彭德懷給賀龍的複電中曾指出：“連日，增援正太路之敵正在該路以南與劉鄧集團作戰，該路以北聶集團連日收複會裏村、上下村、興道等據點，正圍攻盂縣中，你們乘此機會破擊極好（如能提早幾天更好）。”
為了配合淶靈、榆遼地區的作戰，第120師首長決定，組織部隊再次破襲同蒲路北段，要求第358旅破擊原平至寧武地段，獨一旅破擊忻縣至原平地段，特務團掩護後方聯絡。戰鬥中，前線各部隊統由第358旅指揮。
9月14日，第358旅從婁煩以西地區出發，向馬家溝集結。百團大戰開始以來，同蒲鐵路遭到八路軍襲擊後，日軍已經在鐵路兩側的一些重要據點集結兵力，設置多種障礙。這次破路，八路軍必須先掃清前進道路上日偽軍設置的障礙。
9月18日午夜，第358旅所轄第7、第8團、特務營官兵開始襲擊頭馬營。旅首長考慮到日軍可能增援，即以特務營向頭馬營據點發起攻擊，以第7、第8團在日軍可能增援的地域設伏。戰鬥發起後，寧化堡40多名日軍果然在19日黎明時向頭馬營增援，行至山寨村時，被八路軍第7、第8團包圍，將其全部殲滅。一場戰鬥，戰前謀劃周到，勝利就來得更快。
9月16日夜晚，獨立第一旅東渡汾河。18日，將剛進入上莊據點的400多名日軍包圍，13時發起攻擊，激戰至19日淩晨，旅主力撤出戰鬥，執行新的破襲任務。這次戰鬥，獨一旅斃傷日軍約200人，自己傷亡105人。
9月22日夜，第358旅第4團與師特務團一起，在同蒲鐵路段家嶺、軒崗之間進行破襲。
第2團襲擊奇村日偽軍據點。9月25日，第715團破壞了大牛店、軒崗之間的鐵路。
第120師官兵經過連續多天的破襲戰，有力地打擊了日寇，同蒲鐵路的交通再次中斷，使日軍蒙受重大損失。
1940年10月15日，日軍華北方麵軍向日本陸軍省報告戰況時，不得不承認，“石太線被破壞之廣泛及其規模之大，遠非其他地方可比。”
華北方麵軍在當時的《作戰記錄》中記載：“盤踞華北一帶的共軍，根據十八集團軍總司令朱德的部署，發動了所謂百團大戰，於昭和15年8月20日夜同時奇襲我交通線及生產基地（主要是礦山）。尤其在山西，其勢甚猛。襲擊石太路及同蒲路北段警備隊的同時，並炸毀和破壞鐵路、橋梁及通訊設施，使井陘煤礦等的設備，遭到徹底破壞。此次襲擊，完全出乎我軍意料之外，損失甚大，恢複建設需要相當長的時間與大量資金。”
百團大戰第二階段，攻堅戰多了，破襲戰比第一階段少了。淶靈、榆遼戰役，給日軍以重大打擊。由於攻堅作戰，參戰部隊的傷亡增加了。由於戰爭全局尚未發展到堅守重要城鎮的階段，八路軍攻淶源未克，及時轉移兵力進行破襲戰；隨著敵情變化，放棄一些已經被我攻克的日軍據點，轉而在運動中尋求戰機，在遊擊中殲滅日偽軍，這不僅使自己始終處於主動地位，使日軍始終處於被動挨打的境地，更重要的是在抗日戰爭的實踐中創新了戰役戰法，豐富了戰爭藝術的寶庫。
1940年10月2日，彭德懷、左權、羅瑞卿、陸定一致電“各兵團並報軍委總政”，肯定了戰役成果。電文指出：“百團大戰一二階段取得了偉大勝利，開辟了華北大規模進攻的新記錄，證明了敵人的交通線與據點不是牢不可破的，大大地削弱、沮喪與疲勞了敵人，興奮了全國，提高了我黨我軍地位，打擊了投降派，鞏固與開拓了根據地，鍛煉了黨政軍民，提高了部隊戰鬥力，保證了秋收秋耕，繳獲了許多軍需資材，對於百團大戰的勝利任何估計上的悲觀失望都是極端錯誤的。”
電文同時提出，“目前敵寇正集中力量進攻安南、雲南、重慶，這正是開展華北戰局的良機。我們的任務是再接再厲，擴大勝利，隻有這樣才能大量吸引敵人，真正做到破壞其進攻昆明、重慶、西安的戰略計劃，爭取時局的好轉。隻有這樣才能真正縮小敵占區，鞏固抗日根據地”。
