段、津浦鐵路泊頭鎮至唐官屯段也作了破襲部署，要求必須切斷上述日軍交通線，保證主攻方面作戰的順利進行。此外，還部署第2、第5、第8軍分割槽部隊，分別在同蒲鐵路北段、雁北地區及津浦鐵路沿線進行鉗制活動。
第129師於7月22日下達了準備進行正太戰役的指示，指定8個團參戰，要求參戰部隊作好準備。8月18日，在和順縣石柺鎮師前進指揮所召集作戰會議，傳達了本師《關於正大戰役的作戰命令》，其內容是：抽調10個團的兵力，區分為左翼、右翼破擊隊、平和支隊、總預備隊（即中央縱隊），破襲正太鐵路。此外，抽調部隊分佈在平漢、白晉、同蒲鐵路沿線，廣泛破路襲敵，策應正太戰役。
第120師決定抽調20個團，重點破擊太原以北同蒲鐵路和忻靜、汾離公路，配合正太線作戰。具體部署是：第358旅破擊忻縣以北的同蒲鐵路和忻靜公路，獨立第2旅破擊寧武至朔縣間的同蒲鐵路，新軍暫1師破擊神池至五寨間的公路，獨立第1旅圍困嵐縣、東村及離石以北之敵據點，決死第2、第4縱隊和工衛旅及師特務團破擊太汾和汾離公路。
上述部署表明，初期直接參加正太鐵路破擊作戰總兵力約20個團，配合作戰的兵力遠遠超出此數。正太鐵路是華北日軍的重要交通命脈。破襲正太鐵路，日軍心然由平漢、同蒲路東西兩面反撲。為了阻敵增援，鉗制華北日軍兵力的機動，相機展開廣泛的破襲，收復敵佔據點，於是形成了八路軍百餘團參加正太戰役或配合正太戰役的局面。（見附圖11）
1940年下半年，日軍華北方面軍約有27萬人，華北偽軍約14萬人（含蘇北）。駐正太鐵路沿線及其附近地區的有獨立混成第4旅（駐娘子關及其以西，司令部駐陽泉）、第8旅（娘子關以東，司令部駐石家莊）、第9旅（太原附近地區）。百團大戰之前，日本中國派遣軍於7月20日從華北抽調了6個步兵營和1個山炮營到武漢，增強第11集團軍對該地區的守備，其中有獨立混成第4、第9旅的部隊。加之獨立混成第8旅主力在冀中“掃蕩”，因此正太鐵路沿線日軍兵力相對減少。
二、戰役經過
百團大戰經歷了兩個主動進攻階段和一個反“掃蕩”的階段。
（一）第一階段（8月20日至9月10日）
第一階段為時20天，中心任務是破壞日軍交通，重點摧毀正太路。前10天，晉察冀軍區、第129師主要是破擊正太路；後10天，日軍反撲，八路軍撤出正太路，晉察冀軍區轉而出擊正太路以北盂縣地區，第129師打擊前出“掃蕩”的日軍，第120師在晉西北配合作戰。
8月20日，八路軍冒雨透過山谷河流，避開日軍外圍據點，直接運動到正太路兩側，當晚向正太路全線突然發起攻擊，奇襲成功。日軍事前毫無所知，措手不及，一時全線被動。
晉察冀軍區負責破襲正太路東段。此段有敵堅固設防的天險娘子關和重要燃料基地井陘煤礦，守備嚴密。
晉察冀軍區右縱隊（轄第5、第19團）負責破擊正太鐵路娘子關至亂柳段。娘子關早在失陷前即構築有國防工事，日軍佔領後又依據險峻的山崖加修4個大堡壘，使該關防禦能力進一步增強，易守難攻。20日20時，晉察冀軍區右縱隊主攻部隊第5團一部首先潛入娘子關村，殲滅村內偽軍。然後依託村莊，仰攻日軍堡壘，戰士們攀登陡峭的山坡，迎著濃密的火網，勇猛向敵攻擊，經3小時反覆衝殺，攻克全部堡壘，將守敵大部殲滅，黎明時分，勝利的旗幟終於插上了三年來日軍踐踏的娘子關！這是正太線最早攻克的重要戰略要點。接著，主力部隊掩護工兵，大量破壞敵工事，並將關東鐵路橋炸燬，收集了繳獲的物資，在日軍增援到達之前，主動撤離娘子關。
第5團進行的另一個大的戰鬥是襲擊磨河灘車站。
20日晚，第5團第1營第1連襲入磨河灘，但遭到日軍反擊，21日拂曉撤出車站。為完成破壞磨河灘車站的任務，當晚第1連又渡過棉河，攻入車站。敵倉惶退入營房抵抗。磨河灘日軍有近1000人（其中800人是乘火車路過該站的退役軍人），憑堅固守，難以解決戰鬥，又值天降大雨，棉河水漲，不能徒涉，第1連遂搶佔車站西面村莊固守。22日下午，日軍400多人開始反擊，第5團主力在棉河北岸向敵實施火力襲擊。第1連在殲敵50餘人後，撤出戰鬥。
第19團曾攻入巨城和移穰車站。
右縱隊有左右友鄰部隊的策應，受日軍反擊較晚，因