涞源、灵丘及其附近地区，驻有日军独立混成第2旅团和日军第26师团。独立混成第2旅团司令部驻在张家口，步兵第4大队驻在浑源地区，步兵第3大队驻在蔚县、溥鹿地区，步兵第2大队驻在怀涞、延庆地区。日军第26师团是三单位制的乙种师团，师团司令部驻在大同，第2大队驻在灵丘地区，第1大队驻在涞源地区，第3大队驻在应县地区。这两部分日军共约1500人。另有伪军1000多人。
晋察冀军区根据八路军总部的命令，集中8个团、3个游击大队、2个独立营，组成左翼队、右翼队和预备队。其兵力组成和任务区分是：
右翼队由第1、第2、第3、第20、第25团，游击第1、第3支队，第1军分区特务营，军区骑兵第1团1个营等部队组成，总兵力约1.5万人，由杨成武将军指挥，重点攻击涞源县城及其附近的日伪军据点，打敌增援，同时要协助左翼队相机夺取灵丘。
左翼队由第6、第26团，察绥游击支队组成，总兵力约5000人，战役初期的主要任务是阻敌增援，尔后同右翼队配合，夺取灵丘及其附近的日伪军据点。
总预备队由1个步兵团担任。
此外，对冀晋察挺进军、第2军分区第4团、冀中军区等部队，都明确了相应的任务。
9月22日22时，两颗红色信号弹腾空而起，攻城战斗开始了。
右翼队向据守涞源城及其周围据点的日伪军发起攻击。战斗越来越激烈，天明时分，八路军已经夺占了涞源城的东关、西关和南关以及2个外围据点，日军被迫退入城内。八路军指战员原想一鼓作气攻下涞源城，再歼灭外围的日伪军据点，但是，这个目的未能如愿实现。
涞源县城面积小，方圆不到2公里，但城墙位于高坡之上，是用巨大的条石建造的，高而坚固，城关地势低洼。多年来，日伪军不断加固城墙，全城就象一座大碉堡，攻城等于是破碉堡。晋察冀军区的攻城部队虽然在兵力上占有绝对优势，但是由于部队缺乏攻城的有效器材，加之日军顽强抵抗，部队激战一昼夜，未能将城攻克。9月23日，晋察冀军区首长决定，先拔除涞源外围的日伪军据点，再攻克涞源。
第一个要拔除的外围据点是三甲村。三甲村位于涞源城东10公里，是涞源至易县公路上日军的1个重要据点。9月23日夜晚，第2团指战员在第1团1个营以及炮兵的配合下，向三甲村发起猛烈攻击，歼灭了三甲村据点的日伪军。
另一个要拔除的外围据点是东团堡。东团堡距涞源城25公里，是涞源东北日伪军的一个重要据点。东团堡筑有环形防御工事，有日军第2混成旅的1个教导队共130多人防守，这些日军全部是从各部队挑选来的士官，经过严格训练，武器精良，战斗力比较强。据点内的翻译官金井，是朝鲜人，他在我地下工作者的多次劝说下，对抗日斗争曾表示同情。晋察冀军区第3团的指战员向东团堡据点发起攻击以后，日军不仅以猛烈的火力还击，还不断施放毒剂，给攻城的八路军带来严重威胁。八路军指战员发挥勇敢战斗的精神，组织力量，加强战斗动员，连续攻击东团堡守敌。
9月24日，战斗更加激烈。傍晚，八路军攻下了东团堡周围的全部堡垒，日军被迫退到村中，凭借数间房屋继续抵抗。
9月25日，东团堡的日军自知难以固守，即把库存的武器、弹药、粮食等作战物资全部烧毁，准备突围。就在这时，八路军指战员抓住日军无心防守的心理弱点，发起猛烈攻击，将日军大部分歼灭。少数日军看到无法突围，竟然向自己点燃的熊熊烈火中奔去，以自焚结束了侵略者的一生。
东团堡歼灭战，打击了日军的锐气，振奋了八路军的雄风。
至9月26日，右翼队的其他部队相继攻克了桃花堡、吉家庄、白石口、王喜洞、张家峪等13处日伪军据点，集中力量攻克涞源的时机成熟了。
9月27日，右翼队集中兵力猛攻插箭楼。插箭楼位于涞源城南15公里处，有日军1个中队守卫。攻击发起后，八路军指战员很快摧毁了多处碉堡，击毙了大部分日伪军。右翼队拔除了涞源外围的几个重要据点，准备再攻涞源的时候，敌情发生了重大变化。
驻守涞源的日军遭到晋察冀军区的部队攻击以后，立即向驻在张家口的日军求援。9月23日，3000多日军搭乘汽车，在20辆坦克、4架飞机的掩护下，从张家口方向出发，南下增援。24日，日军独立第2混成旅团旅团长人见与一中将率领部队从蔚县出发，南下增援。
由于道路被抗日军民破坏，沿途又不断遭到抗日武装的袭扰，日军行动迟缓。蔚县至涞源的80公里路程，日军车队艰难地行使了5天，平均每天只行进16公里。在战争中，人民群众一旦动员起来，日军就寸步难行，人民战争的威力是无穷的。
28日中午，3000多日军才进抵涞源县城。
右翼队根据日军兵力的这一重大变化，遂不再硬攻涞源，转移兵力、部队向灵丘、浑源方向运动，协同左翼队攻占了南坡头、抢风岭、青磁窑等日军据点。10月1日，八路军已攻克的一些据点，又被日军占领。
10月2日，军区首长命令右翼队主力在涞源以东和东南地区集结，临时休整；命令第1、第3团配合左翼队发动灵丘战役。第1、第3团灵丘籍士兵较多，配合左翼队作战更为得力。7日，左翼队向灵丘至浑源之间公路上的各个据点同时发动攻击，破坏了日伪军的军事设施和公路，歼灭守敌2个步兵大队。
10月8日，晋察冀军区第1团第1营趁南坡头据点的日军主力外出袭击八路军之际，悄悄地向南坡头发起攻击，攻克南坡头，歼灭了据点内的日伪军。
在激烈紧张的战斗中，晋察冀军区突然发现一个重要情况。9月22日，《抗敌报》第35期发表了一篇社论，无意之中泄露了百团大战第2阶段的作战企图。在敌对双方激烈的搏杀中，泄露作战企图将造成非常严重的后果。
从战场态势看，日军纠集了1300多官兵，从灵丘方向和浑源、广灵方向南下，企图向抗日军民反扑。10月9日，驻大同的1000多名日军南下，增援灵丘。军区首长判断，日军可能趁八路军攻打涞源、灵丘之际，对抗日根据地进行新的“扫荡”。在这种情况下，晋察冀军区必须根据敌情的变化，调整作战部署。
10月10日，晋察冀军区决定结束涞灵战役，部队进行适当休整，做好反“扫荡”的各项准备工作。
涞灵战役，晋察冀军区的部队虽然未能收复涞源县城，却有力地打击了日军的有生力量，先后攻克日伪军据点16处，摧毁碉堡114座，歼灭日伪军1600多人。日军独立混成第2旅团步兵第4大队所属1000多人，被晋察冀军民歼灭约700人。
涞灵战役期间，冀中军区集中10个营、共约8500人的兵力，发起任河大肃战役。
晋中军区司令员吕正操将军回忆说：“在整个战役过程中，敌人曾不断对我活动于中心地区的23团进行合击，但我内线外线部队密切配合，使敌人顾此失彼，完全陷于被动。”在近20天的时间里，冀中军区的部队英勇作战112次，连续攻克东固贤、良村、西刘庄等29个日伪军据点，以伤亡573人的代价，歼灭日伪军1456人，其中毙伤日军805人、伪军322人，俘虏日军3人、伪军326人，缴获迫击炮1门、轻重机枪6挺，破毁铁路5公里、公路159公里。任河大肃战役，有力地钳制了日伪军的兵力，巧妙地配合了涞源地区的作战。
榆辽战役，是在山西省的榆次和辽县之间地域进行的一系列战斗。从山西阳泉南下，经过平定、和顺、辽县到达榆次的这条公路，是日军突入太行山根据地最长的一条公路，其中榆次到辽县之间地段，全长45公里，日军在沿线设置了8个据点。守卫榆辽公路的日军主要是独立团混成第4旅团第13大队，约1000多人，分驻于榆次和辽县之间公路地域。在和顺、昔阳至榆次之间的地域，驻有2个大队，这些兵力与榆辽公路的日伪军相互呼应。
八路军第129师首长根据战役意图，把参战部队组成左翼队和右翼队。左翼队由第386团和决死第1纵队各2个团组成，主要任务是攻占榆次、沿壁、王景等据点。右翼队由第358旅附第32团组成，主要任务是攻取管头、小岭底等日伪军据点，以部分兵力守卫辽县以西的狼牙山，阻击日军向西增援。此外还以新编第10旅组成平辽支队，主要任务是破袭平辽公路；以太岳军区第17、第57团组成沁北支队，主要任务是破击白晋路沁县至分水岭地段。
在变幻莫测的战争中，军事家常常采用声东击西的方法，达成战斗的突然性。八路军第129师在榆辽战役之初，为了迷惑日军，刘伯承、邓小平运筹帷幄，9月20日，即以部分兵力突然袭击长治机场，击毁日机3架，击伤日机1架，破坏了部分机场设施。正当日军把注意力放在防护长治机场上时，另一场更大规模的战斗又悄悄地开始了。这就是刘伯承、邓小平指导战争的高明之处。
9月22日，刘伯承、邓小平在宋家庄师指挥所下达了进行榆辽战役的命令，决定以突然袭击的手段摧毁榆辽公路上的日军据点，进攻辽县，相机收复辽县。这份命令特别指出：“如某些据点之敌较久顽抗时，则以各种必要手段，如强袭、坑道作业等，力求克复之。”
9月23日夜晚，榆辽公路上袭击日军各个据点的战斗一齐打响了。右翼队顺利攻占榆辽公路上的小岭底、蒲上等日军据点。左翼队一部攻克沿壁、王景等日军据点，主力向驻守榆次的400多名日军发起攻击。
9月24日，左翼队经过一夜激战，攻占了榆次城的大部分地区，残敌退向榆次中学，这是日军设在榆次的一处核心阵地。日军凭借坚固工事，依仗有飞机掩护，负隅顽抗，不时地施放毒气。八路军攻城部队连续发起3次强攻，都没有把榆次城攻破。指战员们遵照刘伯承的指示，仔细分析敌情后，决定改进方法，采用紧迫作战。这时候，部队一面继续对残敌进行攻击，一面组织人员挖坑道，并把坑道逐渐挖到日军的核心阵地。
9月25日下午4时，一段隐蔽的坑道终于挖到了日军的碉堡底下。随着一声惊天动地的爆炸声，日军主碉堡西南面的外围工事被炸毁了。早已等候在工事旁的突击队员冒着烟雾，迅速冲向日军主碉堡，一架架云梯很快架到12米高的碉堡上，手榴弹雨点般地落在碉堡里。碉堡内的日军正被巨大的爆炸声惊得失魂落魄，哪里想得到八路军的攻击来得这样突然。
经过一番艰苦的战斗，八路军攻占榆次县城，歼灭日军中队长以下400多人，缴获各种火炮12门，轻重机枪17挺，步枪200多支。
9月27日拂晓，右翼队向辽县以西的石匣发起攻击，激烈的战斗一直进行到天黑，八路军指战员占领了石匣。
9月28日，左翼队和右翼队调整部署，准备协同新编第10旅进攻辽县。这时候，驻在和顺、武乡的日军同时出动，援助辽县。由于敌情变化，八路军总部命令部队停止进攻辽县，以一部兵力牵制南下之敌，其余兵力转移，准备在红崖头、官地垴地区伏击日军。第129师根据八路军总部的命令，即组织部队转移，并于29日24时将管头的日军据点攻克。
9月30日，天气晴朗，上午9时，左翼队第386旅的部队进至红崖头以南的山地，右翼队第385旅2个团的官兵正向伏击地域开进时，从武乡出动的600多名日军意外地进入预定伏击地区，日军的先头部队正好与右翼队的官兵在途中遭遇。两军相遇勇者胜。八路军有勇敢战斗的优良作风。第385旅的指战员途中遭遇日军，很快占领有利地形，同日军激战。左翼队第386旅迅速向日军的后尾和侧翼发起攻击。
日军指挥部得知增援部队在途中遭遇八路军，陷入西面包围之中，立即调了8架飞机来掩护。被围日军看到空中转来转去的飞机，即命令部队抢占周围高地，负隅顽抗。八路军指战员向被围日军连续发起10多次攻击，激烈的战斗进行了数十小时，歼灭了数百名日军，其余日军依托已经占领的有利地形，继续顽抗。
正当两军在临时阵地上处于对峙状态时，日军的增援部队赶到了。原来，从和顺、辽县西援的500多名日军一路急行军，向狼牙山的阻击阵地发起猛烈进攻。担任阻击任务的第32团官兵利用有利地形，坚决抗击。这路日军见从正面难以突破，就以主力迂回到狼牙山主阵地的侧后，这对担任阻击的八路军构成了严重威胁。9月31日上午10时，日军突破了狼牙山的阻击阵地，向左翼队指挥所附近逼近。
八路军总部看到，辽县、武乡的日军已经会合，从阳泉南援的1000多名日军已经抵达辽县以北地区，战场情况发生重大变化，决定结束榆辽战役。部队撤出战斗后，榆次又被日军占领了。
10月5日，刘伯承通知第32团团长宗书阁、政委李震、副团长周明国到师部汇报狼牙山阻击战情况，3人心情沉重，以为肯定要受到刘伯承的批评。谁知刘伯承热情地说，请你们来，主要是总结作战经验。
中午，刘伯承在饭桌上又嘱咐他们说：“你们回去告诉大家，部队打得很好，要多鼓励，不要轻易批评。干部间要讲团结，共同总结经验教训，不要互相埋怨。你们都还年轻，不要因为一仗没有打好就背包袱，来日方长，努力学习军事知识，钻研战略战术，这对团以上的指挥员来说尤为重要。”刘伯承一番话，语重心长，既是总结，又有要求，说到了3名指挥员的心坎里，是对打赢下一场战斗的深刻动员。
10月14日，日军的一支运输部队在和顺至辽县之间的公路上行进。八路军得知这一情报后，事先在弓家沟设伏。当日军的运输队经过八路军伏击区时，遭到猛烈打击，40多辆汽车被击毁。
榆辽战役，日军独立混成第4旅团遭到八路军第129师指战员的歼灭性打击，先后被歼灭近1000人，仅100多人得以幸存。榆次城内日军储备够用1年的粮秣、武器和弹药，全部被八路军缴获。
贺龙接到八路军总部的电报以后，考虑到晋西北的日军正被我军打得晕头转向，应抓住战机继续给予打击，部队行动不一定要待到9月20日。为此，贺龙向彭德怀请示，第120师可否提前于9月15日开始行动。
彭德怀看了贺龙的电报以后，表示完全同意第120师在9月15日破击忻宁段同蒲铁路的计划。此前，彭德怀给贺龙的复电中曾指出：“连日，增援正太路之敌正在该路以南与刘邓集团作战，该路以北聂集团连日收复会里村、上下村、兴道等据点，正围攻盂县中，你们乘此机会破击极好。”