1939年秋到1940年春，八路军不得不用很大的力量来对付来自抗战营垒内部“友军”的进攻，这是民族的不幸。乘国共磨擦之机，日军华北方面军司令官多田骏，对抗日根据地加紧“扫荡”，在华北大力修建公路、铁路，挖壕筑堡，由点联线，由线成面，扩大其占领区。抗日根据地日益被封锁、切割。1939 年秋，抗日根据地有近百个县城，至1940 年夏，只保有几个山区偏僻小县城。八路军活动日渐困难，物资供应尤为紧张。
1939年12月，冀中军区政委程子华，政治部主任孙志远给总部的一份密电，引起朱德、彭德怀的特别重视。
程、孙报告中央和总部说：“敌最近修路的目的同过去不同。”其修法：“一是以深沟高垒连接碉堡。由任丘到大城、河间的公路修得比地面高五尺，两旁沟深八尺到一丈，沟底宽六尺，沟面一丈六，把根据地划成不能相互联系支援的孤立的小块，部队也不能转移，便于敌逐次分区搜剿。第二种修法是汽车路的联络向外连筑，安国县己完成三层，敌汽车在路上不断运动，阻挡我军出入其圈内。”
程、孙十分紧迫地说：“绝不能让敌修成”，否则，“将造成坚持游击战争的极端困难局面”。
敌人这一套不仅在冀中，而且在全华北实行。深谙兵法的一二九师师长刘伯承曾形象地比喻说：这是敌人企图以“铁路为柱，公路为网，据点为锁”，对华北敌后军民实行的“囚笼”政策。敌人近乎疯狂的筑路挖沟行动使朱德、彭德怀、左权十分焦虑，3人经常在作战室看情报，研究到深夜。整整占满一壁的华北地形图上，新旧铁路线、公路线交织连贯，像一张巨网正向各抗日根据地合拢。朱德、彭德怀提醒八路军各部指挥员说：“敌人的筑路行动有战略上和战术上的重大含义，丝毫不能忽视，要提醒大家从总体上来认识和对付敌人的阴谋。”
1940年2月，在部署反磨擦战役的同时，朱德、彭德怀下令八路军各部对敌人筑路的起止地点、修筑方法、沿路设施、守备兵力、组织情况等进行详细侦察，为下一步行动作准备。3月，八路军反磨擦战役取得胜利。4月1日，朱德、彭德怀就发布命令，要求八路军各部配合，从4月10日开始动作，对敌人的交通线发动一次总破袭。
命令下达的第二天，毛泽东给彭德怀一封急电：“目前局势相当严重，蒋介石似已下了决心，即是挂抗日的招牌，做剿共的实际。目前对我最威胁的是绥德、皖东两点。”毛泽东告彭德怀和晋西北的贺龙、关向应，需以主力对付威胁延安之国民党第九十军，同时，要彭德怀除三四四旅外，再抽兵力南下华中，打通与新四军陈毅的联系。
根据毛泽东的指示，彭德怀再次转过头来对付国民党的反共磨擦。朱、彭4 月1 日关于发动交通总破袭的计划暂时搁置，各部分散出击，未形成统一的战役。
在4月2日的电报中，毛泽东希望朱德早日动身前往洛阳，与卫立煌谈判停止国共磨擦问题，然后秘密返回延安，参加中共第七次代表大会。
4月中旬，朱德从土家峪八路军，总部启程，越过白晋铁路敌人的封锁线，经中条山国民党防区赴洛阳。4个月前，彭德怀从这条路回总部，阎锡山的部队四处打枪抓人，现在局势虽趋好转，尚未稳定。彭德怀十分不放心，亲自安排了朱德从总部到洛阳的路线和沿途的警卫工作。朱德启程前，彭德怀把随从朱德的周桓找到自己屋里，亲自交代一番，怎样照顾好总司令的行路安全和起居饮食。谈完又加意叮嘱周桓：“总司令年纪大了，一路上要多加小心。有紧急情况，要先轻轻叫醒，等总司令坐起来，再报告。如有急电，先把蜡烛点好，再请总司令起来看；等总司令处理完毕再离开。……”以后，周桓回忆这一情景时说：“叱咤风云的彭老总，对总司令的关怀这样细致入微，感动得我一时竟说不出话来。”
彭德怀又拿出一封信来交给作战科参谋潘开文，要他在护送总司令过白晋路时，将它丢弃在敌人的封锁线内。这是一封给国民党军庞炳勋的信。“透露”八路军和国民党军在这一地区还将发生严重磨擦。
这是一封为转移敌人注意的假情报，八路军预定的出击矛头是在另一个方向上，对准的是日军。
4月末的一天，左权受彭德怀之托，来到一二九师师部。师部设在太行山深处黎城县谭村一家院落内。山高春迟，“人间四月芳菲尽”，在这里，院里院外，桃花盛开。刘伯承、邓小平、聂荣臻、吕正操、陈锡联、陈赓等人，晚饭过后，坐在充满春意的院子里，谈论形势。
打垮了装备优良的国民党反共“磨擦专家”朱怀冰军，根据地军民迫切要求集中力量来打破日军日益加紧的封锁。彭德怀形容当时根据地的形势是“前门打虎，后门进狼” ，十分严峻。4月25日，彭德怀签发了朱、彭致各兵团首长的指示：“日寇现正在拼命修筑道路（据各地报告统计之多殊为惊人）”，“此种阴谋若不积若不积极求得阻止与粉碎，待其完成，将会予我坚持敌后之抗战以极大困难和不利。”指示要求“各兵团首长应就当前实际情况，确谋有效之对策，予以破坏”。
总部提出要各兵团谋取对策，大家的议论自然集中到这个问题上。三八六旅旅长陈赓提出：“正太铁路我们搞了它好多次了，这次大家集中力量先把它给搞掉，如何？”
聂荣臻想了想说：“要彻底打掉嘛，目前还不可能，打掉了它还会修起来的。不过，打断它一个时期也是有利的。”左权听过大家的议论，笑道：“彭老总要我到这里来，正是为和大家商量这件事。他有个想法，由荣臻和伯承同志再次协力，从南北两面对正太路来个大破袭，打通晋察冀和太行区的联系。”左权的话使谈论热烈起来。有人提出聂和刘、邓可以一个负责破袭东段，一个破袭西段。大家认为这个想法甚好，要左权把这个设想带回，供彭老总考虑。
从4月份以后，八路军总部挂着白布门帘的作战室内，增添了一份正太铁路的地形图。这是按彭、左的指示准备的。彭德怀和左权常常在这间屋子里，聚精会神地翻阅敌情资料，在地形图前凝视、沉思。正太、同蒲、平汉、津浦、平绥、北宁、胶济7条铁路干线，成了敌人对根据地构筑交通网——企图困死八路军的“囚笼”的纵横支架，正太路正处于中心位置。左权带回的建议说明，总部和刘、邓、聂众将领不约而同地都把目光投射在这条铁路上。
正太路从平汉路上的正定（河北）开始，通过井隆，爬上巍巍太行，经娘子关天险入山西，西行至榆次与同蒲铁路接轨，上抵太原。全长240 余公里。正太路横贯太行山脉，沟通河北平原和山西高原，联结平汉、同蒲二线。同蒲路从大同到蒲县，把山西切为东西两半，正太路则把山西省东半部又切为南北两半，具有重要的战略意义。
在八路军的不断破袭下，敌人以3 个混成旅团担任正太路全线的守备，在沿线筑了数十个据点，在铁路南北还筑了一层外围据点。铁路上以装甲车往来运行巡逻，铁路两侧不许农民种植高秆作物（高粱、玉米），以防八路军的袭击。
八路军在敌后的两个大战略区——晋察冀区和晋冀豫区隔正太路相望，搞掉它，是两大区军民的共同愿望。
经过两年多的“交通战”，八路军破路的经验越来越丰富，敌人防备的手段也越来越严密了。怎样一举搞掉敌人重兵守护的正太路，打击敌人的“囚笼”政策，这是彭德怀考虑的中心问题。不久，这条被日军号称为“钢铁动脉”的正太路，在彭德怀的眼里便化成一条熊熊燃烧的火龙；而敌人苦心经营的“囚笼”, 在他的心中也变得千疮百孔。这不是幻景，一个大破袭的战役方案，在他面对的地形图上，已渐渐显现出宏伟的清晰的轮廓。这个方案巧妙地抓住了敌人的一个无法克服的弱点：“敌伪深入我根据地后，普遍筑碉堡，兵力分散，反而形成敌后的敌后。主要交通线空虚，守备薄弱，这对我是一个有利的战机。”
转眼7月中旬，一天，彭德怀和左权在总部驻地村外纵论时局。这一年的夏季，世界形势风云险恶。在欧洲，法国政府向德国法西斯投降。希特勒在席卷半个欧洲之后，向英伦海峡进军。在亚洲，英、法屈服于日本的压力，相继关闭了中国的西南国际交通线滇越铁路和滇缅公路。日军在攻占扼长江入川门户宜昌（湖北）重镇之后，又扬言要进攻西安，切断我西北国际交通线。据重庆国民政府和八路军各部情报，关外日军大批入关，津浦沿线日军向陇海线集中，太原日军亦沿同蒲路南下，有进窥潼（关）洛（阳）之意。与此同时，日机狂炸重庆。一时大后方震动，投降派活跃，中间派对时局悲观。中共中央在“七·七”3周年，号召全党全军克服投降危险，争取时局好转，争取200万友军继续抗战。中共中央重庆办事处建议八路军在敌后打胜仗，以鼓舞人心。从上次左权去一二九师师部回来，4月的烂漫山花已换成眼前茂密的青纱帐，正是游击健儿显身手的黄金季节。彭德怀对左权说：“大家老盼着打，我看可以开始行动了。”
不几日，左权受彭德怀之托，再次来到一二九师师部。刘伯承、邓小平仔细倾听了彭德怀和左权的战役设想，欣表赞同。处事一贯明确果断的邓小平说：“这个设想我看行，可以这么干！”左权返回总部后，刘伯承指示师参谋长李达立即收集部队的破路经验进行战役准备。
接着总部召开军事会议，北方局书记杨尚昆参加了会议。从初议到酝酿、决策，一次不寻常的军事行动即将掀动华北。1940年7月22日清晨，从山西武乡太行山脉的小小山村砖壁发出一束束无线电波，把八路军总部一项极其重大、秘密的作战命令，传达到分处敌后的各师、军区领导人聂（荣臻）、贺（龙）、关（向应）、刘（伯承）、邓（小平），同时上报中共中央军委。这便是有名的由朱（德）、彭（德怀）、左（权）签署发布的破袭正太路战役预备命令。
命令提出：“为打击敌人‘囚笼’政策，打破敌进犯西安之企图，争取华北战局更有利的发展，影响全国的抗战局势”，“决定趁目前青纱帐与雨季时节，敌对晋察冀、晋西北及晋东南‘扫荡’较为缓和，正太沿线较为空虚的有利时机，大举破击正太路”。“其他各重要铁道线，特别是平汉、同蒲，应同时组织有计划之总破袭，配合正太铁道战役之成功”。“定八·一三以前（约八月十号左右）为开始战斗期限”。
命令要求直接参加正太线作战之总兵力不少于22个团，定于8月10日前完成侦察、器材准备、部队调动等准备工作。这一注明“十万火急”的绝密电报发到延安，立即被抄送毛泽东、工稼祥、朱德、洛甫、王明、康生、陈云、邓子恢、任弼时、谭启龙和作战局。1959年庐山会议以后，彭德怀曾被指责为背着毛泽东发动百团大战，由于7月22日的预备命令延安收文原件在案，“文化大革命”以后得以澄清真相。
8月8日，朱、彭、左向聂、贺、关、刘、邓发出战役行动命令。规定：聂集团主力约10个团破坏平定（县不含）东至石家庄之正太线，同时，分派部队对津浦、平汉、德石、沧（州）、石（家庄）路的指定地段进行宽正面破袭，阻止可能向正太路增援之敌，相机收复某些据点；
刘、邓集团以主力8个团附总部炮团一个营，破击平定（含）至榆次段之正太路，同时，分派部队对平汉、德（州）石、邯（单区）大（名）、同蒲、白（圭）晋（城）、临（汾）屯（留）路之指定地段进行宽正面破袭，阻止敌人向正太路增援，相机收复某些据点；
贺、关集团破袭同蒲北段及汾（阳）离（石）公路，并以重兵置于阳曲南北，阻敌向正太线增援，同时派部破袭晋西北交通，相机收复若干据点。
命令规定：“上列各集团及总部特务团统由总部直接指挥之”, “限八月二十号开始战斗”。
正如彭德怀在其自述中回忆的：“在敌后碉堡密布的情况下，组织这样统一有计划的破袭，是不容易的。”7月22日和8月8日，总部相继下达了关于侦察工作和破坏战术的详细指示，要求对每一个攻击目标都经过侦察，作出计划。对需要特殊破坏技术的水塔、隧道、桥梁，还要求派出便衣组，配以技术人员出动，以计算药量和作业。指示说“战役成果之大小，主要是看破坏正太路之成果而定”。
总部的战役行动命令下达后，各根据地军民情绪热烈，出击兵团迅即掀起练兵爆破热潮，从总部到各师旅团，参谋人员都出动侦察。一之九师三八五旅旅长陈锡联回忆说：“我们这些旅干部，当时都化装去铁路沿线侦察了地形。”侦察人员还深入虎穴，在群众的掩护下，在敌人的交通线两侧村庄、大小据点实地侦察。有的还乘上正太路的列车，把沿线情况一览无余。日军华北方面军参谋长在战役发动后的10月13日向日本陆军次长所作的报告中，在《 袭击前的一般征兆》 一段内加注说：“独立混成第四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。”
战役的其他准备工作，如粮食和破路器材的筹集，兵站的建设，伤员的转运，向敌占区的宣传等，都按总部要求迅速完成。一二九师师长刘伯承，政委邓小平，把师前线指挥部设在抵近正太路的和顺县石拐村。晋察冀军区司令员聂荣臻，把前线指挥部设在井隆煤矿附近的小山村洪河槽。
一切就绪，只待时辰一到，给万恶的日本侵略军以沉重的打击。
日军觉察到八路军在集结兵力，但它收集到的情报欺骗了它，它上了彭德怀的当。事后，它的参谋部懊丧地总结说：共军移动和集结兵力，扬言是要与中央军一战，这就巧妙地转移、引诱、欺骗了日军的注意力，从而大规模地集结其兵力。
8月20日，总部所在地上空浓云密布，过午下起了小雨。总部作战室弥漫着紧张的气氛。所有无线电台译电和有线电话，都编组好轮流值班的顺序，以保障战斗指挥和联络的畅通。
彭德怀和左权不时交谈，或听参谋人员汇报情况，或对地图沉思。晚上8时整，各兵团按预定时间发起攻击。各路指战员如猛虎下山，迅速扑向敌人控制的据点、车站、桥梁、碉堡。枪炮声、爆炸声、喊杀声，震撼着正太路和同蒲路、平汉路等交通线的指定地段。彭德怀一夜没合眼，等待着前线的消息。21日天明时分，消息陆续传来。首先收到刘伯承师长发来的电报：陈赓旅连克碉堡4座，全歼守敌。完全占领了寿阳西南之芦家庄车站，将车站西10里的铁道、桥梁全部破坏。
紧接着，聂荣臻司令员来电，杨成武连克乏驴峪、北峪、地都等据点，歼守敌200余名。据点段内铁路、桥梁、碉堡、电线悉被破坏，万余民众参加了破击。聂所属另一部，则完全占领了井隆煤矿，歼守敌百余，解放工人2300余人，矿井机器全部炸毁；郭天民部正猛攻娘子关；冀南军区徐绍恩团破坏平汉路邯郸至磁县段铁路5 里。
晚上8 点钟，贺龙师长发来战报：张（宗逊）旅全歼静乐东康家会守敌，毙敌200余，俘日兵10余名，缴获甚多。……
21日、22日，正太、同蒲、白晋、平汉、平绥、津浦、北宁各铁路及各公路干线上的捷报一份份发至总部。根据彭、左指示，即向前线各部通报战况，并上报中央军委。
22日午饭后，彭德怀和左权在作战室内听取战况，作战科长王政柱汇报实际参战兵力，正太路30个团，平汉线卢沟桥至邯郸段15个团，同蒲线大同至洪洞段12个团，津浦线天津至德州段4个团，邯郸至济南公路线3个团，代县至蔚县公路段4个团，北平至大同线6个团，辽县至平定公路线7个团，宁武、奇岚、静乐公路线4个团……”共计105个团。
王政柱话音刚落，左权说：“好！这是百团大战，作战科要仔细查对确数。”彭德怀说：“不管是一百零几个团，就叫百团大战好了”。当即和左权一起拟电发各兵团，并报中央军委，将此次破袭战役定名为百团大战。同日，《新华日报》华北版和新华社华北分社发布了十八集团军司令部参谋处关于百团大战的第一号捷报，以后逐日发布战报。百团大战的战况成为举国欣闻的消息。百团大战第一阶段的破袭取得了巨大的成功。
亲临前线，担任正太路西段指挥的一二九师三八六旅旅长陈赓，在他1944年写的自传中，曾热情描写了这一阶段作战的情景：" 1940年8月，奉命参加百团大战，我以精锐之师，半月内毁灭（坏）了所谓敌人的‘大动脉’之正太路。”“一条完整的铁路，一时变成了破烂不堪的荒地。迫令敌寇尽数月之力重新建筑此路。百团大战遍及华北，敌寇兵力备受牵制。”
在这次破袭战中，聂部曾两度攻占娘子关，把国旗插在娘子关上。聂荣臻回忆说：“在侵略军铁蹄下生活了近三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，兴奋得流出泪水。”
1940年10月15日，日军华北方面军向日本陆军省提出的《破坏修复情况》报告中说：“石太线被破坏之广泛及其规模之大，远非其他地方可比。”在对八路军所用破路战术进行一番分析后又说：“关于爆破，从其实施效果判断，（共军）事前对干部曾进行过相当教育。”
第一阶段战役中，一个重大的胜利，是聂集团由杨成武指挥的中央纵队，在矿工的配合下，严重破坏了日军侵占的燃料基地井隆煤矿。日军独立混成第八旅团参谋泉可畏翁回忆说：“所谓井隆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。在井隆三矿中，最重要的是新矿，所受破坏最大。至少半年以上不能出煤。”
与破袭正太路同时，敌人在华北的交通动脉北宁、同蒲、平汉铁路被截断，其他纵横于华北的白晋、沧石路及各地公路线亦被截肢碎骨。北同蒲线铁路“受到了严重破坏”。
“同蒲线以西的各警备队大部分受到共军袭击，孤立的小据点有些被全部消灭”。“共军第一次攻势以破坏交通、通讯为目标，同时为取得精神的效果，在这些方面的破坏是相当严重的”。八路军发起的突袭，使华北日本驻军一时间陷于慌乱之中。8月20日夜，晋中地区大雨，正太路各据点的日军有的在睡梦中就一命呜呼，有的惊起抱枪赤身应战。
守备正太路东段之日军独立第四旅团司令部“开始根本弄不清楚各方面的情况，经过二、三天后，才逐渐判明”。负责正太路守备的日军一一○师团“20日夜接到独立混成第八旅团的电话报告，得知石门附近情况，但以后电话不通，情况不明”。21日该师团长饭沼守（中将）“得悉石太路全线遭敌袭击”, 23日方派兵“前往井隆地区增援”。
日本在山西的最高军事当局、驻太原的第一军司令部，“21日从旁系电话中收到第一次报告说：‘石太路到处正遭八路军袭击……’但以后再无更详细报告。有线、无线电话完全不通，立即陷入情况不明状况”。
日军华北方面军在其《 作战记录》 中记载说：“盘踞华北一带的共军，根据十八集团军总司令朱德的部署，发动了所谓百团大战，于昭和15年8月20日夜同时奇袭我交通线及生产基地（主要是矿山）。尤其在山西，其势甚猛”。“这次奇袭完全出乎我军意料之外，损失重大，恢复建设需要相当时间与大量资金”。日军从华北方面军司令部到军、师、旅、联队，据点守备都受到强烈震动。
百团大战第一阶段的破袭战完成了预定任务，这次破袭巧妙而又大胆地利用敌人以小国凌大国、兵力不足的弱点。日军华北方面军在其1940 年制定的华北《肃正建设实施纲要》说明中，虽已看到自身在军事上的“长期分散配置，使各部队很容易陷于被动守势”。但由于兵力不足，惧怕“过早地将分散配置集中，治安将会重新恶化”。针对敌人的分散配置、集中使用，彭德怀以同时发动，分散出击，使其陷于首尾不能相顾的境地。敌人不得不承认，八路军取得了“奇袭的成功”。
在第一阶段战役胜利的形势下，8月31日，彭德怀给各兵团发出扩大战果、彻底毁灭正太路和同蒲路的忻县一朔县段，使3个根据地（晋察冀、晋西北、晋冀豫）连成一片的建议。这个建议低估了敌人对交通线的修复能力，低估了敌人利用现代化交通工具迅速增援兵力的能力。在这个建议发出后的第三日，即9月3日，敌援兵约2万余人抵正太路东西两端，企图夹击八路军。此前，小批援兵已陆续进入正太路作战，日军驻太原飞行大队连续出动，与其地面部队联络，猛炸八路军阵地。彭德怀和左权看到“扩大战果已不可能”，放弃以上建议，命出击兵团即日转移兵力，准备完成第二步计划。
华北敌后的胜利消息传到延安，群情欢跃，延安街头到处贴着祝捷标语。9月20日，延安各界举行万人大会，纪念“九·一八”9周年和庆祝百团大战的胜利，大会通电慰问八路军前方将士，毛泽东和朱德代表中共中央出席了大会。
1940年9月10日，八路军总部接到中共中央书记处发来的《关于时局趋向的指示》。指示分析了抗战阵营中存在的对日妥协危险倾向后说：“我党五十万大军积极行动于敌后（尤其是此次华北百团战役），则给了日寇以深重的打击，给了全国人民无穷的希望。”同日，中央书记处在《关于击敌和友的军事行动总方针的指示》中要八路军、新四军“在目前加强团结时期，应集中其主要注意力于打击敌人”，要求“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”。“给予二百万友军及国民党大后方与敌占区内千百万人民以良好之影响，给予敌人向重庆等地进攻计划以延缓的作用”。
在百团大战中，八路军的百团兵力包括相当一部分地方武装，经过第一期破袭战，需要休整与补充，无力扩大作战；在华中和山东方面，亦不具备发动大战役的条件，延安的这一指示未能实现。这时，日军大批援兵已由东西两端进入正太路地区，在正太路扩大战果亦不可能。彭德怀、左权决定转入第二阶段作战，于9月16日命令各部，在继续破袭交通的同时，将重点放在攻占交通线两侧和深入各根据地内的日军据点。
根据总部的命令，从9月20日起，晋察冀军区在晋冀边发起了沫（源）灵（丘）战役，一二九师在晋东南发起了榆（社）辽（县）战役，一二○师在同蒲路宁武之南北段发起第二次破击战役，冀中军区发起了任（丘）河（间）大（城）肃（宁）战役，冀南军区发起德石路、邯济路破袭战役。
第二阶段战役发起时，敌正调集兵力向八路军各出击兵团实行反击作战，在八路军再次发起广泛突袭的情况下，敌军顾此失彼，被八路军拔除的据点达2000余个，一二九师在第二次战役中攻克了榆社县城。日军第一军派赴阳泉前线的参谋朝枝回忆说：“八路军的抗战士气甚为旺盛，共产地区的居民，一齐动手支援八路军，连妇女儿童也用竹篓帮助运送手榴弹。我方有的部队，往往冷不防被手执大刀的敌人包围袭击而陷入苦战。”
在八路军胜利的影响下，“伪军伪组织动摇加剧，纷纷派人来与我们接头”。“使平、津、太原、石家庄等大城市人民大为兴奋，影响伪币大跌价”，为1941年后开展敌占区工作创造了有利的条件。
1940年的秋季，八路军在华北出击，正值敌机170架狂炸陪都重庆，市区大火。迁都之说，妥协之议，甚嚣尘上。日军中国派遣军司令部对国民政府实施诱降的“桐工作计划”也正加紧进行。
大后方在悲观空气的弥漫中，突然听到八路军在华北前线胜利出击的消息，顿时反响强烈，气氛为之一变。重庆《大公报》、《新蜀报》、《新民报》 、《力报》 、《国民公论》等，竞相刊载百团大战的战绩，发表社论。《新蜀报》9月2日社论中说：“我们每天看到如雪片飞来的条条捷报，真是兴奋感动得流泪。”
远在边陲的《新疆日报》社论写道：“在全国各战场相当沉寂的今天，华北出击胜利是有着重要意义的”, “提高了抗日根据地与游击战的地位”, “粉碎了诬蔑游击队‘游而不击’的种种滥调”。
同日，中共重庆办事处给中共中央关于目前时局特点的报告中写道：“敌将进攻重庆、云南，尤其是宜昌失败教训及当局缺乏守住重庆的信心，人心惶惶然发生悲观与愤激两种情绪，而妥协之要求和危险，在敌寇诱降、亲日派的直接影响之下，使时局更加严重。不过妥协条件一时断难有成。目前令人兴奋的，则为华北的百团大战……”
弹了一年多反共调的国民党最高当局，对八路军的胜利表示欢迎。9月13日《新华日报》华北版头条刊载了蒋介石的嘉勉电，以突出国共团结抗日的气氛。电文如下：
“朱副长官（第二战区）、彭副总司令：迭电均悉，贵部窥破好机，断然出击，予敌甚大打击，特电嘉勉。除电饬其他各战区积极出击，以策应贵军作战外，仍希速饬所部，积极行动，勿予敌喘息机会，彻底断绝其交通为要！”
但蒋介石的嘉勉不过是迫于舆论，实际他是不高兴的。10月20日，国民党中央宣传部向重庆军委会战时新闻检查局正式抄发了蒋介石的一份密令： “查近来报上常有记载‘百团大战，字样。……此项名词及有关之新闻，以后绝对禁止登载，即饬遵。”
八路军连续一个多月向敌人发动袭击，给日本侵略者以沉重打击。但连续40余天的紧张战斗，部队极度疲劳，伤亡减员很大。10月2日，总部发出命令，结束第二阶段作战，10月6日，日军开始对各抗日根据地发动大规模的“扫荡”。
1940年10月14日，刚从砖壁转移到王家峪村的八路军总部，仍回驻地形隐蔽险要的砖壁村。第二天，在绵绵秋雨中，北方局和总部机关再次转移。百团大战艰苦的第三阶段——反扫荡作战开始了。彭德怀率总部指挥机关转驻黎城县栓马、宋家庄一带指挥作战。
在八路军第一期破袭中，受到最惨重打击的敌独立混成第四旅团五六千人充当“扫荡”的先锋，由旅团长片山带领，向总部和一二九师活动的中心地区武乡、辽县进攻，被一二九师各部和决死一纵队节节阻袭。片山恼恨之余，又增兵沿清漳河岸进行所谓“毁灭扫荡”。日军所到之处，见人即杀，见屋即烧，见粮即抢，声称“报复”, “企图变我根据地为焦土”“民众受害极大”。10月下旬，第四混成旅团之冈崎大队600余人窜犯总部的水腰兵工厂。水腰厂设在太行山脊黎城县的黄崖洞谷中，四面险峰环抱，只南面有一天然裂缝，可以容人出入。1939年，朱德、彭德怀、左权亲自察看地形，把总部的军械所迁到谷内，经过精心规划，艰苦创业，发展成为一个月产400余枝步枪和大量枪弹的兵工厂。八路军在敌后，武器弹药的补充是最大的困难，蒋介石、阎锡山一向以少发武器弹药来限制八路军的发展。随着八路军的发展壮大，战争的缴获自然不可能满足部队的需要，为了建设自己的军事工业，朱、彭、左不知花费了多少心血。
这一天，彭德怀在黎城指挥部得报，冈崎大队窜进了黄崖洞兵工厂。彭德怀大怒，亲自追查情由，下令部队监视冈崎大队的行动。28日，冈崎大队在根据地军民袭扰下成困顿之势，夺道武乡准备退回沁县，进到蟠龙镇关家垴附近宿营。29日下午，彭德怀赶回武乡县蟠龙镇之石门村。
从黎城到武乡，一路村落被敌人践踏的悲惨景象，咬噬着彭德怀的心。这时攻打榆社城的一二九师陈赓旅和决死一纵队正有一部分部队在关家垴附近集结休整。彭德怀当晚发出了歼敌命令。冈崎大队乘夜摸上了关家垴高地，这块高地三面断崖，只有一条很窄的坡路通向顶处。敌人凭据靠垴顶的窑洞顽抗，八路军指战员冒着飞机的投弹扫射和由垴顶倾泻的火力向上冲。彭德怀把总部特务团的警卫连也投入了战斗。依靠着顽强与勇敢，八路军终于将武器优良的冈崎大队歼灭过半。11月1日，日军大批出援，彭德怀下令撤离，残敌数十人逃走，日军的“扫荡”亦被打退。
在关家垴战斗中，彭德怀到距敌人控制的垴顶500 米处作近距离观察，当他足抵壕沿，手捧望远镜，仔细观察敌人阵地时，记者徐肖冰拍摄下了这一历史的瞬间，为人们留下了八路军在敌后艰苦卓绝、英勇战斗的写照。这一照片被广泛地刊登、转印，为人们所珍爱，成为人们熟悉的彭德怀形象。
关家恼战斗中，八路军以劣势装备对敌实行攻坚战、阵地战，与敌鏖战两昼夜，敌人虽大部被歼，八路军亦遭受很大的伤亡，陈赓旅之七七二团一营3个连伤亡过半。
关家垴战斗是百团大战中引起争议的一次战斗。彭德怀在其自述中谈到为什么要发动这次战斗时说：“在敌军‘扫荡’时，日军一般的一个加强营附以伪军为一路，我总想寻机歼灭敌军一路，使敌下次‘扫荡’不敢以营（编者按：日军大队相当于营）为一路，以使其‘扫荡’的时间间隔扩大，有利于我军民机动。我这一想法是不符合当时实际情况的。因部队太疲劳，使战斗力减弱了，使一二九师伤亡多了一些。”对冈崎大队，可否用八路军擅长的伏击战术歼灭之，从而减少部队的伤亡呢？陈赓在关家垴战斗开始时，曾向彭德怀提出这样的意见。陈赓对彭德怀说：“彭老总，现在拼了，以后怎么办？可以把冈崎放下山去，另选有利地形，打他的伏击嘛！”彭德怀没有接受。战斗过程中，刘伯承又建议彭德怀暂时撤围，另觅战机。彭德怀在电话里对他一向十分尊重的战友咆哮：“拿不下关家垴，就撤掉你一二九师的番号！”这使一向宽和大度的刘伯承，也不免气恼。
关家垴战后，彭德怀和左权、刘伯承、陈赓等都到垴上仔细巡视过战场，查看敌人的临时工事、暗堡掩体、火力配置，总结经验教训。有人说，关家垴战斗，彭老总来了犟劲。几十年后，曾参加这次战斗的八路军总部特务团团长欧致富回忆说，“彭老总坚持要打关家垴战斗，还有一个意图：八路军是坚持敌后抗战的主力军、正规军，不但要会打游击；必要时，也得猛攻坚守，顽强拼杀，敢于啃硬骨头。”当时任决死一纵队政委的薄一波回忆说：“彭老总向我调决死队两个团参加战斗，我是很积极的，战斗中损失固然大，但这两个团也打出来了，成为决死队战斗力最强的两个主力团。”
12月5日，十八集团军（八路军）总司令部野战政治部公布百团大战总结战绩。在105天的过程中，总计进行了大小战斗1824次，毙伤日军20645人、伪军5155人，俘日军281人、伪军18400余人，拔除日伪军据点2993个，缴获步马枪5400余枝，轻重机枪200余挺，及其他大量武器弹药。破坏铁路948里，公路3000余里，桥梁、车站、隧道等260余处，破坏煤矿5所。
在这次战役中，八路军亦付出了巨大的牺牲，伤亡1.7 万余人。
以正太路破袭为发端的百团大战在敌后分割、艰难的条件下，以其运筹之巧妙、发动之隐蔽、指挥之有效、作战之英勇、群众支援之热烈，在抗日战争史上写下了光辉而富于特色的一页。其中，也渗透着彭德怀的独特的军事胆略、指挥艺术和作战风格。1940年12月22日，毛泽东、朱德、王稼祥给彭德怀去电：“百团大战对外不要宣告结束，蒋介石正发动反共新高潮，我们尚须利用百团大战的声势去反对他。”毛泽东再一次肯定了百团大战。百团大战不仅取得了军事上的重大胜利，也取得了政治上的重大胜利。
反磨擦战役和百团大战取得胜利，彭德怀的家庭却因此付出了惨重的牺牲。就在蒋介石向朱德、彭德怀发出嘉奖电后不久，1940年10月4日，国民党武装特务半夜闯入彭德怀的老家彭家围子，彭德怀的三弟彭荣华被当场杀害，三弟媳龙国英被打伤。二弟彭金华被抓，于同月11日被害。彭金华是在1937年11月和刘坤模一起到延安找哥哥彭德怀时参加党的，彭德怀要金华回老家发展党的组织。彭金华建立了乌石乡第一个党的支部，发展了龙国英、彭荣华等人入党，在群众中宣传抗日救国，帮助家乡青年投奔八路军抗日。彭德怀对两个从小一起在苦难中长大的弟弟有深厚的感情，但音信阻隔，一个多月之后，方才获悉噩耗。彭德怀在悲痛中立电蒋介石要求严惩凶手、追究缘由，蒋介石避不作答。两个弟弟牺牲后，彭德怀的侄儿女和他们的寡母又过着困苦流离、一夕数惊的生活。