7月上旬，日军在华北的兵力约有27万人，华北伪军约有14万人，武汉方面兵力较少。日军为了增强第11集团军的守备，7月20日，从华北抽调了6个步兵营、1个山炮营到武汉。司令部驻在石家庄的日军独立混成第8旅团主力正在冀中“扫荡”。这样一来，正太铁路沿线的日军兵力暂时减少。
为了粉碎日本侵略军对华北抗日根据地的全面进攻，打击其“囚笼政策”，制止国民党右派的投降活动，进一步发展敌后斗争的新局面，并影响全国的抗战形势，八路军总部决定，实施酝酿成熟的破袭正太路的设想，向华北日军占领的交通线和据点发动大规模破袭战。
7月22日凌晨，一束束电波飞向天空，朱德、彭德怀、左权联名下达的关于大举击破以正太铁路为中心的《战役预备命令》传到各部队，传到延安。
延安收到这份注明“十万火急”的电报以后，立即抄送毛泽东、王稼祥、洛甫、王明、康生、陈云、邓子恢、任弼时、谭启龙和作战局。朱德已于5月26日返抵延安，这份由他和在前方的彭德怀、左权3名八路军主要指挥员联合署名的电报，也同时抄送给朱德。
8月8日，朱德、彭德怀、左权三人联名下达了《战役行动命令》。这项命令规定，总部特务团主力集结于下良西营地区，聂集团、刘邓集团、贺关集团和总部特务团，统由总部直接指挥，“限8月20号开始战斗”。
战役行动命令下达以后，八路军指战员群情激昂，纷纷进行战斗准备，对一些重要作战地域，指挥员和参谋人员亲自化装去侦察。当时担任第129师第358旅旅长的陈锡联将军回忆说：“我们这些旅干部，当时都化装去铁路沿线侦察了地形。”
日军华北方面军参谋长于10月13日向日本陆军次长报告战役情况时加注说：“独立混成第4旅团司令部所在地的阳泉，在盂兰盆会期间发现很多平日未曾见过的健壮男子前来游逛，市场上卖东西的人，有半数改换了新人。事后查明，从8月前后经常出入阳泉车站的一个男子，据说是共军某部的参谋长。”
八路军的勇士们首先在正太路向日本侵略军发起进攻，打击日本侵略者的战斗很快扩展到晋冀察全境、晋绥大部和热河南部地区；正太、平古铁路全线，安阳以北的平汉铁路，德州以北的津浦铁路等地，除山东以外的整个华北地区和主要交通线上，到处可以听到抗日军民破袭日军交通线的枪声和爆炸声。
百团大战的号角吹响了。
晋察冀军区部队破袭娘子关下正太铁路这场总破袭战，首先在正太铁路发起。
8月8日，朱德、彭德怀、左权下达的《战役行动命令》进一步明确了战役部署和任务，其中要求：“聂集团主力约10个团破坏平定（平定县不含）东至石家庄段正太线，破坏重点应在娘子关、平定段。对北宁线、德州以北之津浦线、德石路、沧石路、沧保路，特别是对元氏以北至卢沟桥之平汉线，应同时分派足够部队宽正面的破袭之，阻击可能向正太线增援之敌，相机收复某些据点。对西、北两面之敌，以适当兵力监视之。另以有力部队向盂县南北敌据点积极活动，相机克服某些据点。”
“聂集团”是指由司令员兼政治委员聂荣臻指挥的晋察冀军区部队，这是以八路军第115师的独立团、骑兵营、师教导队等3000多官兵为骨干发展壮大起来的，在晋察冀根据地开展敌后斗争的一支抗日力量。“聂集团”的主要任务是破袭正太路东段，主要作战对象是日军独立混成第8旅团大部，独立混成第4旅团一部。这一地域，有日军坚固设防的娘子关天险，有日军的重要燃料基地井隆煤矿。这些要点，日军都进行严密守备。
聂荣臻司令员接到八路军总部的命令后，立即抽调了18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、5个游击支队，分别组成左纵队、右纵队、中央纵队、钳制部队和总预备队，破袭正太路阳泉至石家庄段；同时对平汉铁路元氏至卢沟桥段等铁路段也作了相应的破袭部署。
当时，正太路沿线的日本驻军主要有独立混成第4旅团全部，该旅团司令部设在阳泉；独立混成第8旅团一部，该旅团司令部设在石家庄；独立混成第9旅团一部，该旅团司令部设在太原。日军在正太铁路沿线城镇、车站、桥梁、隧道附近筑有坚固的防御工事，在铁路两侧10～15公里地区还设有外围据点。堡垒之间用交通壕相连接，周围又设有铁丝网、障碍物，布置了严密的火网，平定到石家庄两侧，就有40多个据点。破袭战在许多地段将是攻坚战。根据这些情况，聂荣臻决定先攻占敌据点，再实施破路。
战前，聂荣臻要求参战部队抓紧时间进行攻坚和破城的针对性训练，特别要重视侦察敌情，准备爆破器材，选择好进攻道路。各项准备工作基本就绪以后，聂荣臻带着一个精干的指挥组赶到前线。
聂荣臻的指挥所设在井陉附近一个叫洪河漕的小山村里。井陉有总矿、新矿、阳并矿3个矿区，是华北地区一个储量丰富的煤矿，日军把这个煤矿视为命根，投入了相当多的人力物力。聂荣臻决心破坏这个煤矿，有意把指挥所设在井陉附近。
8月20日，夜空漆黑，雨淅淅沥沥地下着，突然，正太铁路两旁腾起了一颗颗红色信号弹。刹那间，随着一阵雷鸣般的爆炸声，各路突击部队像猛虎下山，扑向敌人的据点和车站。
八路军向正太铁路全线发起突然攻击，日军事先竟然毫无所知，各据点守军没有任何准备，一时间，全线陷入被动。战役之初，守备正太路东段的日军独立混成第4旅团司令部“根本弄不清楚各方面的情况，经过二三天以后，才逐渐判明”。
在聂荣臻指挥下，晋察冀军区的部队3路出击，3路高奏凯歌。
其中一路是突袭娘子关的右纵队由晋察冀军区第2军分区司令员郭天民、第4军分区政治委员刘道生指挥，辖有第19、第5团，主要负责击破正太铁路娘子关至乱柳段之间的交通线，重点是娘子关的日军据点。娘子关，原名苇泽关，位于山西平定县城东北45公里处，是古长城的著名关隘。相传唐太宗之妹平阳公主统领娘子军驻此设防，故称娘子关。关城两翼之长城依山势蜿蜒，是正太路上晋、冀两省交界地带的天然屏障。关城北侧桃河，水流湍急，南接山岭，逶迤相连。石太线顺山峡蜿蜒铺设。1937年10月，日军占领娘子关后，又依据险峻的山谷加修了4个大堡垒。关上有日军驻守，关下的村子里驻守着伪军。
8月20日20时，担任主攻任务的第5团指战员悄悄潜入娘子关村，很快解决了村里的伪军。胜利的喜悦鼓舞了八路军指战员的信心，他们沿着陡峭的山坡，冒着密集的火网，向娘子关上的日军堡垒仰攻。守关日军毫无准备，被八路军打得措手不及。经过3小时激战，第5团的2个连攻入娘子关，歼灭了大部分敌人，八路军的红旗插上了被日军占领3年的娘子关。
这是正太铁路中最早攻克的一个重要战略据点。在侵略军铁蹄下生活了近3年的娘子关地区的同胞，看到八路军的红旗高高地飘在关头上，兴奋得流出了泪水。
聂荣臻得知右纵队的指战员攻克娘子关，感到兴奋，但他立即拒绝了部队要求坚守娘子关的请求，命令部队在炸毁堡垒工事和东面的铁路桥后，撤离娘子关。当日军的增援部队赶到时，八路军已经撤得无影无踪。
8月23日，第5团官兵再次攻入娘子关，炸毁了娘子关东面1公里处的一座石桥，破坏了程家陇底、磨河滩之间的铁路。
第5团第1营第1连向磨河滩车站这个日军据点袭击时，却意外地遭到了日军的反击。磨河滩车站原来只有100多名日军，八路军以1个连突然袭击，有胜利的把握，谁知这天日军的800多名退役军人乘火车经过这个车站，听到枪声，也加入了战斗，这样一来，磨河滩车站的日军突然增加到近千人，战斗力发生了变化。
8月21日拂晓，一连撤出车站。破袭磨河滩车站的任务没有完成，指战员们摩拳擦掌。当天晚上，第1连官兵悄悄地渡过棉河，攻入磨河滩车站，日军听到枪声，退入营房继续抵抗。就在两军相持的时候，500多名日军乘铁甲列车前来增援，天空突然下起了大雨，棉河水上涨，人员难以徒涉，一连指战员即抢占了磨河滩车站西面的一个村庄，伺机行动。
8月22日下午，日军组织起400多人，开始对第1连进行反击。第5团首长得知这一情况后，即命令团主力对一连进行火力支援。不一会儿，反击的日军遭到了棉河北岸猛烈炮火的袭击，反击受阻。第1连指战员英勇战斗1日，歼灭50多名日军后，奉命撤出战斗。
第19团官兵在战斗发起后攻入巨城和移穰车站。8月23日晚上，第19团再次攻入移穰车站，炸毁了车站的水塔和铁路设施。
8月24日~27日，右纵队的指战员连续作战，接连炸毁了20孔石桥。日军各据点的联络被切断，遭到八路军的各个击破，正太铁路娘子关至乱柳段，交通完全断绝，日军异常恐慌。
左纵队由晋察冀军区第4军分区司令员熊伯涛指挥，辖有冀中警备第2旅、晋察冀军区特务团、平井获支队等部队，主要负责破袭微水至石家庄之间的铁路和公路。战斗打响后，各部队分头行动。
平井获支队在8月20日夜晚袭击岩峰，爆破铁路。特务团在20日夜掩护群众破坏公路后，又于22日夜攻入上安车站，歼灭了车站的日军。警备旅第2团于23日夜攻入头泉车站，破坏了日军的2个堡垒。
8月25日至27日，左纵队指战员连续出击，对平山、获鹿、微水、岩峰之间的公路进行破击，取得了满意的战果。
中央纵队由第1军分区司令员杨成武指挥，辖有第2、第3、第16团，主要负责破袭正太铁路娘子关至微水段，攻打井陉煤矿。战斗打响后，第16团第2营等部队接连攻克了地都、北峪、南峪等日军据点，歼灭了南峪的大部分日军，破坏了日军占据的两座桥梁。第2团攻占了驴岭铁桥东端的堡垒，还一度占领蔡庄日军据点。
中央纵队进攻井陉煤矿这一仗，打得非常漂亮。
日军占据井陉煤矿以后，一直把煤矿作为一个重要守备据点。为了掠夺中国的煤炭资源，日军在新矿和旧矿周围构筑了近4米高的围墙，围墙上敷设电网，围墙外还加设了铁丝网，挖了壕沟。围墙内，日军在新矿、老矿、北山等不同角落设置了22个堡垒，以便监视全矿区。战前，中央纵队按照聂荣臻司令员的指示，派遣小分队潜入矿区，同煤矿工人接上了关系。在工人们的掩护下，第3团的指战员切断了矿区电源，在暗夜中发起冲击。
第120师部队炮击敌据点黎明时分，八路军指战员歼灭了矿区的敌警备队1部。第二天下午，第3团官兵全歼守敌百余人，解放工人2300多人，占领了主要矿井。在矿工的帮助下，八路军指战员炸毁了14台机器，10个锅炉，5座铁桥，3座风车，2座烟囱，以及电机房、火车站等矿区的一些重要设施。这次破袭，使日军损失达1亿日元，井陉煤矿半年内无法出煤。日军独立混成第8旅团参谋泉可畏翁回忆说：“所谓井径煤即炼铁用的粘结煤，当时是供给满洲鞍山炼铁厂重要的、不可缺少的原料。在井陉3矿中，最重要的是新矿，所受破坏最大，至少半年以上不能出煤。”
8月21日傍晚，日军独立混成第8旅团司令部得知八路军袭击井陉煤矿的消息后，旅团长水原义重少将亲自率领全部14个中队的日军，分2个梯队从石家庄等地星夜兼程，增援井陉煤矿。23日傍晚，当这些日军抵达井陉煤矿时，八路军已经撤离。
8月23日，驻守石家庄的部分日军向西增援。
这时候，华北地区连日下雨，河水泛滥，这给八路军的破袭作战带来了不便。晋察冀军区的部队转移兵力，继续对日军占据的铁路、桥梁、隧道进行全面破击。
在见人就杀、见房就烧的日本侵略者的残酷的“扫荡”之下，聂荣臻领导晋察冀军民坚决反“扫荡”，大家呼喊一个口号：“敌人进村我们出村，敌人出村我们进村；敌人不来时，炸桥梁，毁隧道，烧枕木，割电线；敌人来时，用草人引诱，用手榴弹炸，用石雷轰，用中国人民的聪明才智奋勇反击侵略者。”
经过20多天战斗，晋察冀军区各部队共在正太路沿线毙、伤、俘敌伪军900多人，攻克10多个据点，破坏了30多公里铁路，18座桥梁，缴获了大批枪支弹药和5门火炮，在兄弟部队的共同打击下，正太路全线一度陷于瘫痪。正太路是敌华北军事系统的纽带，正太路陷于瘫痪，日军在华北的军事系统仿佛断了脊梁，这就有力地削弱了日军的战斗力。当时，敌华北方面军向日本陆军部报告说：“正太路破坏极为严重，规模之大无法形容，敌人采用爆炸、焚烧、破坏等方法，企图对桥梁、轨道、通讯网、火车站设施等重要技术设备，予以彻底摧毁。在进行破坏时，隐蔽伪装得极为巧妙。”
2.第一阶段战役
8月8日，朱、彭、左3人联名下达的《战役行动命令》明确：“刘邓集团以主力8个团附总部炮兵团1个营，破击平定（含）至榆次段正太线，破坏重点是阳泉、张净镇，对元氏以南至安阳段平汉线德石路、邯大路、榆次至临汾段同蒲线、平遥至壶关段，白晋线、临屯公路，应同时分派足够部队宽正面的破袭之，阻敌向正太路增援，相机收复某些据点，对辽平公路应派有力部队积极活动，相机收复沿线某些据点，另以一个团之主力往于潞城襄垣间地区。”
“刘邓集团”，就是由师长刘伯承、政治委员邓小平指挥的八路军第129师。这是一支英勇善战的部队。自从第129师主力挺进冀南以后，在刘伯承师长和邓小平政委的指挥下，仅在1939年1月至3月间就作战100多次，歼灭日伪军3000多人。其中1月10日上午在威县以南的香城固地区的伏击战，就击毙敌大队长以下200多人，俘虏敌人8人，缴获火炮4门，有力地打击了日本侵略者，“刘邓集团”威名大振。
正太路西段，主要由日军独立混成第四旅团大部和独立混成第九旅团部分兵力防守。这一地段内的阳泉是日军独立混成第四旅团司令部驻地。刘伯承、邓小平接到八路军总部的命令后，要求各部队充分做好战前准备。他们提出，战前，部队要“注意休养体力，加强军事教育”，“在休养30天内，每人增加5分菜金”。
当时，第129师的前方指挥所设在和顺县石拐镇。8月18日晚上，刘伯承、邓小平召集有关指挥员在师前方指挥所召开作战会议，布置作战任务。
刘伯承师长强调，部队进行大规模破袭战役，不可避免地要强袭和攻坚日军的据点，要把困难设想得多一些，把准备工作考虑得周到一些。
邓小平政委特别告诫大家，这次行动，参战的地方武装和民兵很多，要派得力干部去组织带领，关心他们的生活和安全，调动他们的积极性。
