9月10日，晋察冀军区命令第19、第5团留盂县以东以北地区待命，准备配合第129、第120师行动；其余各团向根据地东部、东北部转移，准备执行新任务。

为了钳制正太线方面八路军的破袭作战，日军纠集独立混成第4旅4个步兵营（配属第36师以1个步兵营为基干的支队）、独立混成第9旅3个步兵营（配属第36、第41师均以1个步兵营为基干的支队各1个）等部，向第129师实施反击。

8月30日，独立混成第9旅自太谷、榆社之间地区，9月1日，独立混成第4旅自平定、和顺、辽县，榆社一带相互策应推进，以松塔、安丰、马坊地区为中心合击第129师。

在日军主力转取反攻的形势下，第129师各路破击队即由破击作战转入打击出犯日军的作战。

左翼队连日在高坪、道坪、红凹、中兰、卷峪沟地区予敌打击。特别是卷峪沟约15个小时的阻击战，毙伤敌200余人，掩护师指挥机关、后勤部门及右翼队的转移，战斗后左翼队亦安全转移到外线。

1940年9月6日，左翼队、第772团将太谷出犯之日军500多人包围于榆社西北的双峰地区，激战一昼夜，歼敌400余。

第385旅于6日于张建设伏，重创向辽县撤退的日军。右翼队于9月3日离开正太线向根据地转移，曾在平定以西打击阳泉出扰日军，消灭日军100余人。

随后，部队即行分散，展开游击战。至9月15日，第129师粉碎了日军万余兵力的连续反击。

第120师为配合正太路破袭战，从8月20日20时开始，对同蒲铁路和晋西北主要公路展开大规模的破击，攻取敌铁路公路线上的据点。

康家会是忻静公路上日军最大的据点，驻有日伪军50余人，其东北石神有敌30人，西南利润有敌10余人，静乐有敌100余人。

第358旅以第4团1个营进攻康家会，2个营在康家会以东的炭窑沟、青龙庄间设伏准备歼灭石神增援之敌。

以第716团在康家会以西的砚湾设伏，准备歼灭利润、静乐增援之敌。

8月21日零时30分，第4团第2营向康家会发起攻击，拂晓时将守敌全歼。

由静乐乘2辆汽车增援的日军40人被第716团歼灭，由石神增援之敌也大部被歼。

为扩张战果，第358旅以第4、第716团各一部强袭丰润，其余部队负责打援，8月25日晨将丰润山上碉堡攻占。

正组织火力准备攻击猬集山下大庙内的日军时，敌增援部队赶到，攻击部队遂撤出战斗。

第120师独1旅于8月23日开始行动，第715团曾先后2次袭击寨子村，同时袭击岚县。

第2团破坏峪口至圪洞公路数里，又在班家庄以西山地伏击日军，并连袭石门鄢、寺圪塔敌据点。

8月31日凌晨，独2旅第714团猛袭宁武、朔县间阳方口，烧毁了车站，切断了同蒲铁路，战斗毙伤敌120余人，俘日军2人、伪军32人。

暂1师一度袭入五寨；决死第2、第4纵队切断了汾离公路，并一度袭入汾阳以西的王家池；第359旅第717团多次击退柳林出扰之敌。

第120师在晋西北先后作战180多次，歼日伪军800余人，攻克康家会、阳方口、平社、龙泉等敌车站和据点，一度切断了同蒲铁路北段以及忻静、太汾、汾离公路敌军交通线，钳制了日军大量兵力，使其难以增援正太路，有力地支援了第129师、晋察冀军区方面的作战。

百团大战第一阶段大体上在9月10日结束。

第二阶段（1940年9月22日至1940年10月上旬）

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。

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。

百团大战第二阶段，涞灵战役三甲村战斗后，被俘的日伪军及家属。

百团大战第二阶段，涞灵战役三甲村战斗后，被俘的日伪军及家属。八路军干部向俘虏的日伪军讲解宽大政策。

百团大战第二阶段，涞灵战役三甲村战斗后，被俘的日伪军及家属。

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。