百团大战第二阶段
中共中央1940年9月10日指示：“根据中央七七宣言与七七决定，我八路军新四军全部力量，在目前加强团结时期，应集中其主要注意力于打击日军，应仿照华北百团战役先例，在山东及华中组织一次至几次有计划的大规模的对敌进攻行动，在华北则应扩大百团战役行动到那些尚未遭受打击的日军方面去，用以缩小敌占区，扩大根据地，打通封锁线，提高战斗力”，“击敌和友是目前军事行动的总方针。”
1940年9月16日，总部下达了百团大战第二阶段作战命令，指示第二阶段作战目的是扩大战果；作战基本方针是继续破坏日军交通，摧毁深入根据地的某些据点。百团大战第二阶段，晋察冀军区主要进行了涞灵战役，第129师主要进行了榆辽战役，第120师主要破击了同蒲路。
涞灵战役
日军驻蒙军占领的涞源、灵丘地区，深入晋察冀边区西北部。驻涞源、灵丘及其附近的是日军独立混成第2旅、第26师各一部，共1500余人，另有伪军1000余人。日军受到第一阶段打击后，各据点纷纷增加兵力（其中涞源城已增到500人左右），增修加固工事，储备粮弹。
晋察冀军区决定调集部队，组织涞灵战役。1940年9月22日22时，涞灵战役开始，右翼队向涞源县城及其周围据点发起猛烈攻击。经一夜激战，夺占东、西、南关，日军退入城内。
1940年9月23日当夜，第2团在第1团1个营及炮兵配合下，猛攻涞源城东10公里处涞（源）易（县）公路上的敌重要据点三甲村，歼敌大部，将其占领。同时，第3团向涞源城东北东团堡发起猛攻，至24日夜，攻克该村周围全部堡垒，将残敌压迫于村中数间房屋死守。25日，敌将据点库存武器、物资、粮食全部烧毁，准备突围。攻击部队再度向敌猛攻，残敌突围无望，投火自焚。
1940年9月26日，右翼队其他部队和平西军分区第9团也连克桃花堡、白乐堡、吉家庄、辛庄、北口、下北头、白石口、中庄、王喜洞、刘家嘴、张家峪、北石佛、金家井等13个据点。战役发起的第2天，日军开始由张家口等地南援，由于破路不彻底，日军推进迅速。
1940年9月28日中午，日伪军3000余人搭乘汽车，在坦克20辆、飞机4架的掩护下，进抵涞源城。在这种情况下，右翼队已难开展有利的攻势，晋察冀军区乃决心转移攻势于灵丘地区，第一步扫除灵丘、浑源间敌据点，第二步夺取大营东南至神堂堡一线及大营、沙河以北山地内敌据点。10月2日，晋察冀军区命令右翼队主力集结涞源以东及东南地区整理，一部监视钳制涞源之敌，另以第1、第2团归左翼队指挥，加入左翼队作战。
1940年10月8日夜，第1团第1营乘南坡头日军一部出动袭击第2团之机，向南坡头发起进攻，一举袭入敌阵，歼敌大部，残敌逃窜。同时，第6团第1营攻克抢风岭，青磁窑日军望风而逃，9日夜，第6团第3营攻击了金峰店。此外，向灵丘、广灵间出击的第26团8日夜曾一度攻入黄台寺。
1940年10月9日，晋察冀军区发觉第1军分区《抗敌报》第35期9月22日社论无意中将百团大战第二阶段企图泄露。这时，灵丘方面，浑源、广灵日军1300余人南援，开始反扑。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。涞灵战役持续18天，共毙伤日伪军1000余人，俘日军49人、伪军237人，八路军伤亡1419人。
为策应涞灵战役，冀中军区在破袭沧石、德石、北宁、津浦铁路的同时，于10月1日至20日进行了任（丘）河（间）大（城）肃（宁）战役。百团大战发起后，冀中日军一部西援，大部被束缚在重要交通线上，冀中内地守备较弱。冀中军区决定以第18、第23、第30团等部计10个营，共8500余人，编为左翼队、中央队、右翼队进入这个地区作战。计划首先以两翼部队钳制日军，吸引日军于任河大肃中心区以外，尔后以中央队突入中心区，打开局面。
1940年10月1日战役开始。左翼队（第18团）进入潴龙河以东，河间、任丘以西地区，2日至6日，连续攻克连家庄、东固贤、良村。7日夜，玉皇庙、丰乐堡、刘善寺各据点日军望风逃窜。右翼队（第30团）4个营进入大城以东、子牙河以东地区活动，至7日，连克李民居、邓庄子、石疙疽、西刘庄、臧庄子、陈村等据点，并大举破路挖沟。中央队（第23团）2个营北渡滹沱河，10月1日，伏击由商家林出动抢粮的日军100余人，歼敌90余人，缴获全部武器。9日，在白马堂伏击由留各庄到里坦之敌，全歼日伪20人。
1940年10月15至20日，进行以子牙河东西两岸为重点的第二期作战，在任河大肃中心区，只留小部队坚持。中央队19日夜攻克半截河据点，破坏其附近的古洋河上的桥梁。右翼队面临敌情严重，无力采取大的行动。左翼队16日夜克大曲堤、任丘石门桥，18日又克王盘敌据点。
任河大肃战役，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。此役钳制了日军的兵力，有力地配合了涞灵战役。
榆辽战役
由阳泉经平定、和顺、辽县到榆社的公路，是日军突入太行根据地最深的一条公路。日军企图将该路向西南延伸，经武乡与白晋铁路相连，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旅第13营守备。
1940年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，收复据点摧毁公路，并乘势向辽县进展，相机收复辽县。
1940年9月23日夜，攻坚作战开始。24日，左翼队攻克沿壁、王景，右翼队攻克铺上、小岭底。至25日，榆社具城也被攻克，小岭底至榆社一线只剩管头据点之敌仍在顽抗。同时，平辽支队积极活动，攻占辽县以北寒王镇；沁北支队积极破路，频繁出击，使武乡、白晋路日军受到钳制。
26日，第129师令右翼队以一部继续围攻管头之敌，主力和左翼队东移，乘胜收复辽县并消灭可能援辽之敌。27日拂晓，右翼队进攻辽县以西石匣，当夜将其占领。左翼队28日进抵马厩附近，准备当晚进攻辽县。这时，和顺、武乡日军分别向辽县、管头增援。八路军总部命令停止进攻辽县，以一部钳制和顺南下之敌，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，在29日24时将其攻克。
1940年30日9时左右，左翼队赶到红崖头以南山地，右翼队尚未到达预伏地区。武乡日军600余人正越过预伏地区，其先头与右翼队遭遇。左翼队迅速向日军的后尾、侧翼同时展开攻击，日军在飞机8架掩护下，占领高地顽抗。战斗持续了两天一夜，双方伤亡惨重。
1940年10月1日黄昏，辽县西援日军500余人突破右翼队阻击，逼近左翼队指挥所附近，左翼队奉命撤出战斗。同日，八路军总部鉴于辽县、武乡日军会合，阳泉南援日军1000余人已抵辽县以北的寒王镇，第129师相当疲劳，伤亡较大，判断增援辽、榆地区的日军可能趁势“扫荡”太北地区，乃决定结束榆辽战役。
破击同蒲铁路
1940年9月12日，第120师下达了同蒲铁路北段行动计划，决心从9月20日开始破击同蒲铁路宁武、忻县段（重点在宁武、大牛店之间）。1940年9月14日，第358旅从根据地娄烦以西地区出发，北越静乐、岚县公路，16日到达马家沟集结。该旅以第3支队（辖第7、第8团、特务营）袭击头马营。
1940年9月18日24时，第3支队以特务营向头马营发起攻击，以第7、第8团打援。战斗至翌日晨，宁化堡日军40余人增援头马营，行至山寨村被打援部队包围歼灭。20日，羊圈岭日军约200余人前出至里鄢村企图反扑。该旅第716团于当日14时向里鄢村之敌发起攻击，次日拂晓，该敌惟恐被歼，逃回羊圈岭。
独1旅于9月16日夜东渡汾河。18日得悉，羊圈岭日军400余人袭击雁北支队扑空后返回上庄，乃决心围歼该敌。遂于18日13时向该敌发起攻击，激战至19日凌晨，旅主力撤出战斗执行破击任务，残敌向羊圈岭退去。这次战斗，独1旅伤亡105人，毙伤日军约200人。各部队击破阻扰之敌后，即投入对同蒲铁路的破击作战。
1940年9月22日晚，第358旅第4团（附师属工兵连）、师特务团前出到段家岭、轩岗间破坏同蒲铁路数段。与此同时，第2团袭击奇村，第715团袭击忻口、楼板寨。23晚，第2团破坏忻口以南铁路，第715团破坏忻口以北铁路。25日夜，第715团再次破坏了大牛店、轩岗段铁路。独2旅也于朔县、宁武间破坏铁路数段。第120师经过6天的破击作战，使同蒲铁路交通再次中断。