在8～11月的大反攻中，晉察冀軍區部隊共殲滅日偽軍7萬餘人，全區野戰部隊發展到21。5萬餘人，地方部隊發展到10。4萬餘人，基於民兵擴大到90餘萬人；解放熱察兩省全境，河北省大部和山西、綏遠、遼寧省各一部，收復了張家口、承德、秦皇島、集寧、豐鎮、山海關、綏中等70多座城市；建立了察哈爾、熱河2個省政府及191個縣（旗）政府，擁有人口近4000萬，形成了以張家口為中心的縱橫千里的晉察冀熱遼解放區。
晉綏軍區鑑於國民黨軍傅作義部已佔歸綏，閻錫山部已入太原等情況，決定以主力奪取綏南、綏東和太（原）汾（陽）公路上的中小城鎮及廣大農村。北線部隊獨立第2旅在攻佔陶林、武川、清水河後，其第32團於31日解放左雲縣城，殲偽軍500多人；其第36團收復和林格爾、涼城等地；第2、第6軍分割槽部隊連克神池縣城及東寨鎮等5處日偽軍據點，直逼寧武城下。9月初，南線部隊在向太原至汾陽公路沿線上的縣城離石、柳林、大武等城鎮展開攻擊時，賀龍、李井泉率獨立第1旅、第358旅第8團由陝甘寧邊區東渡黃河，與第8軍分割槽部隊會合，直接指揮大反攻作戰。9月1日，解放文水縣城。5日，收復柳林，全殲偽軍300餘人。9日，全殲離石城內偽軍1000餘人，並攻克離石城外的鳳山底、臥牛墕兩高地；大武鎮、上蘆橋、張子山等據點偽軍紛紛繳械投降；在離石縣城內全部肅清日偽軍。12日，靜樂日軍在抗日軍民的圍困下棄城而逃，八路軍相繼攻克康家會、宋家莊、三交鎮等據點，佔領忻（縣）靜（樂）公路全線，使北起左雲、右玉，南迄離石之晉西北地區全部獲得解放。
在大反攻期間，晉綏解放區人民群眾碾米磨面，趕製軍鞋，保障部隊供應。晉綏行署開展群眾性參軍運動，組織民兵參戰隊，1。5萬餘人開赴前線，並組成1000餘人的隨軍工作團，進行戰地服務。大反攻作戰中，晉綏軍區軍民共斃傷日偽軍1。6萬餘人，俘5100餘人，收復10餘座縣城，解放大片國土，使晉綏區與晉察冀、晉冀魯豫區連成一片。
為適應形勢變化的需要，中共中央於8月20日決定成立晉冀魯豫軍區，劉伯承任司令員，鄧小平任政治委員。同時，恢復冀南軍區。25日，劉伯承、鄧小平從延安乘飛機抵達河南省涉縣（今屬河北省）赤岸村，遵照中共中央和中央軍委指示，決定以部分兵力威脅開封、新鄉等城之敵，以主要兵力奪取中小城鎮，殲滅拒絕投降的日偽軍。
8月下旬，太嶽軍區主力由山西省東泉地區向平遙逼近，攻佔了平遙東南的邢村鎮、張蘭鎮等據點。該軍區鄰近同蒲鐵路南段沿線各軍分割槽部隊先後攻佔靈石、霍縣、趙城、洪洞、翼城、絳縣等城的外圍據點，控制數段鐵路，造成了阻止臨汾、運城等地日軍北撤的態勢。該軍區第4軍分割槽部隊協同由陝甘寧邊區南下路過的八路軍遊擊第2、第3支隊攻佔濟源、垣曲縣城。
太行軍區主力部隊攻克武鄉縣城後，向長治地區逼近。該地區道清支隊先後攻佔河南省獲嘉、武陟、溫縣，包圍廠焦作、沁陽地區的日偽軍。該軍區鄰近平漢鐵路各軍分割槽部隊，在冀南軍區一部兵力配合下，攻克許多據點，破擊了河北省元氏至邯鄲段鐵路。其餘各部隊分別攻佔山東省長清、清平、臨清及河北省隆平，堯山等縣城。冀魯豫軍區中路軍攻克河北省長坦縣城（今屬河南、及河南省道口、新鎮等據點，並圍攻滑縣；南路軍回師新黃河以東地區，在地方武裝配合下，收復河南省通許、杞縣、民權等縣城，迫使偽第4方面軍獨立師投降。
晉冀魯豫解放區周邊的日軍在反攻部隊的連續打擊下，為避免被各個殲滅，紛紛收縮兵力，道清鐵路及安陽以南平漢鐵路沿線的日軍撤往洛陽、鄭縣、郾城等地。日軍兵力收縮後，偽第5、第6方面軍及地方部隊更加驚恐不安，連夜加修工事，企圖固守所佔城鎮。晉冀魯豫軍區依據中共中央、中央軍委關於積極集結與擴大力量，奪取中小城市，擴大解放區，破壞交通，封鎖與圍困大城市，大量消滅偽軍及分散的日軍小部隊，迫使部分日軍投降的指示，在反擊沿鐵路線進攻解放區的國民黨軍的同時，繼續攻殲拒絕投降的日偽軍。
為殲滅新鄉至元氏間平漢鐵路沿線偽軍，從新鄉附近沿平漢鐵路北進的冀魯豫軍區中路第1、第2縱隊，太行、冀南軍區靠近平漢鐵路線的各軍分割槽一部兵力，同時在平漢鐵路沿線向偽軍展開了1個多月的進攻，先後攻克河南省滑縣及河北省內丘、高邑、邢臺、湯陰、磁具、邯鄲等19座縣城，控制鐵路50餘公里。為收復道清